SEMINARIO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA, MEDIO AMBIENTE Y DESARROLLO SOSTENIBLE

EDWIN CASTRO MALAVER HOLMAN GERMÁN MELO CÁCERES LEONARDO JAVIER MARTÍNEZ GUÍO NELSON AUGUSTO BELTRÁN PEÑUELA FABIÁN ALBERTO BONILLA PATARROYO

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER FACULTAD DE INGENIERÍAS FÍSICOMECÁNICAS ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA BUCARAMANGA, SANTANDER 2012

SEMINARIO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA, MEDIO AMBIENTE Y DESARROLLO SOSTENIBLE

EDWIN CASTRO MALAVER HOLMAN GERMÁN MELO CÁCERES LEONARDO JAVIER MARTÍNEZ GUÍO NELSON AUGUSTO BELTRÁN PEÑUELA FABIÁN ALBERTO BONILLA PATARROYO

Trabajo de grado para optar al titulo De ingeniero mecánico

Director Ing. Jorge Luis chacón Velasco

UNIVERSIDAD INDUSTRIAL DE SANTANDER FACULTAD DE INGENIERÍAS FÍSICOMECÁNICAS ESCUELA DE INGENIERÍA MECÁNICA BUCARAMANGA, SANTANDER 2012

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AGRADECIMIENTOS Queremos agradecer a la Universidad Industrial de Santander y Escuela de Ingeniería Mecánica por acogernos como estudiantes y apoyar nuestra formación educativa, permitiéndonos ser parte de la gran familia de Ingenieros, futuros líderes en la industria mundial. Gracias a nuestro director de proyecto, Ingeniero Jorge Luis Chacón, por acompañarnos en el proceso de realización de este proyecto de grado. A nuestras familias, compañeros y amigos por el apoyo constante.

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A mis padres, quienes con su gran esfuerzo y dedicación hicieron posible esta y otras causas: Hilda, quien mientras su voz se mantuvo en este mundo fue mi aliento y guía inquebrantable. Saturnino, quien con su ejemplo y sudor ayudó a forjar el hecho de que hoy sea un profesional. A mis hermanos, German y Liliana por el apoyo incondicional y permanente comprensión. A mis compañeros de proyecto, quienes decidieron trabajar a mi lado y aunar esfuerzos para terminar nuestra carrera. A mis amigos, por inyectar alegría y fuerza a mis días en todos los momentos en que fue preciso. NELSON

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A Dios por su infinito amor. A mis padres, hermanos y abuelos por estar siempre presente en mis triunfos y en mis fracasos, por su paciencia, su amor y su incondicional apoyo. A mi novia por estar siempre a mi lado incluso en esos momentostan difíciles que se presentan en una vida de aprendizaje. A mis amigos que de una u otra forma me ayudaron a recorrer este largo y tortuoso camino. LEONARDO

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La locura de estudiar Ingeniería Mecánica en la UIS es un viaje fascinante; pero es casi imposible lograr la meta sin fe, el amor de la familia, la compañía de amigos y el corazón lleno de ilusiones. Gracias Dios mío por no dejarme solo, gracias a mi familia por su constante apoyo, a mis amigos y compañeros por hacer de esta locura un viaje agradable de algunos años y gracias a ti, por llenar mi corazón fuerza y amo HOLMAN

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Dedico este proyecto a Dios que me ha acompañado durante este largo tiempo. A mis padres que en la distancia me han brindado su apoyo incondicionalpara culminar este logro de mi vida, a mi madre NATALIA que ha sufrido muchas noches por esperar que todo salga bien, por todo su amor y fuerza, a mi padre ALBERTO por su ejemplo, su paciencia y sacrificio diario, muchas gracias.A mis hermanas y sobrinos que me brindan el entusiasmo y la felicidad todos los días para seguir adelante. A mi hermana MARÍA gracias por todos los consejos,y momentos de risa que apaciguaban mi estado de ánimo. A mi novia LILIANA que me ha acompañado y brindadoel gesto amable y cordial de una gran compañera. A mis amigos de universidadcon los que he compartido momentos inolvidables. FABIÁN 17   

Primeramente doy gracias a Dios por darme fuerzas y no permitirme perder la esperanza ante tanto tropiezo, brindándome la oportunidad de salir adelante y aprender de cada uno de ellos. Esta etapa de mi vida que culmino se debe al esfuerzo y ala entrega de cada una de las personas que siempre estuvieron a mi lado durante este camino: A mi madre María Elvia Malaver que siempre creyó en mí. A mi padre Gilberto Castro Gómez, que me brindo todo el apoyo moral y económico para salir adelante A mi tío Orlando Malaver Gómez, que siempre me brindo una mano amiga durante todo el camino de la universidad A mi novia Ángela Paola Moreno, quien estuvo ahí en cada tropiezo, brindado su apoyo incondicional durante todo este largo camino. A mis amigos que siempre brindaron su apoyo. Y a mis compañeros de proyecto que sin ellos todo esto no hubiera sido posible. EDWIN

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TABLA DE CONTENIDO Pág. INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................... 44  1. GENERALIDADES DEL SEMINARIO INVESTIGATIVO .................................................... 45  1.1 DEFINICIÓN DE SEMINARIO DE INVESTIGACIÓN O SEMINARIO ALEMÁN .......... 45  1.3 VENTAJAS DEL SEMINARIO INVESTIGATIVO ............................................................... 47  1.4 CARACTERÍSTICAS .............................................................................................................. 48  1.5 ORGANIZACIÓN DEL SEMINARIO INVESTIGATIVO. .................................................... 49  1.5.1 Tema del seminario investigativo. ..................................................................................... 50  1.5.2 Dirección del seminario de investigación ......................................................................... 51  1.5.2 Desempeño de los roles ..................................................................................................... 52  1.6 METODOLOGÍA ..................................................................................................................... 56  2. PLANEACIÓN ........................................................................................................................... 57  2.1 SELECCIÓN DEL TEMA ........................................................................................................ 57  2.2 ESTUDIO BIBLIOGRÁFICO .................................................................................................. 57  2.3 SELECCIÓN DE LOS SUBTEMAS ...................................................................................... 60  2.4 DESCRIPCIÓN DE LOS SUBTEMAS ................................................................................. 64  2.4.1 La naturaleza del problema ................................................................................................ 64  2.4.2 Elementos de termodinámica ............................................................................................. 65  2.4.3 Máquinas térmicas ............................................................................................................... 65  2.4.4 Procesos de conversión de energía I ................................................................................ 65  2.4.5 Fuentes de calor ................................................................................................................... 66  2.4.6 Energía nuclear .................................................................................................................... 66  2.4.7 Manejo de los residuos energéticos .................................................................................. 67  2.4.8 Trasmisión de energía ......................................................................................................... 67  2.4.9 Almacenamiento de energía ............................................................................................... 67  2.4.10 Eficiencia en el uso de la energía.................................................................................... 68  2.4.11 Balance de energía global ................................................................................................ 68  2.4.12 Efectos climáticos globales. ............................................................................................. 68  2.4.13 Radiación en el medio ambiente. .................................................................................... 69  2.5 PLANIFICACIÓN DE LAS SESIONES. ............................................................................... 69  3. EJECUCIÓN. .............................................................................................................................. 73  3.1 DOCUMENTACIÓN PARA EL SUBTEMA. ......................................................................... 73  3.2 DESARROLLO DE UNA SESIÓN. ....................................................................................... 73  3.3 ACTAS. ..................................................................................................................................... 73  CAPÍTULO 1 ................................................................................................................................... 79  INTRODUCCIÓN AL ESTUDIO DE LA ENERGÍA Y EL MEDIO AMBIENTE ...................... 79  INTRODUCCIÓN ........................................................................................................................... 80  1.1 NATURALEZA DEL PROBLEMA. ........................................................................................ 80  1.1.1Estado del medio ambiente y los recursos naturales en Colombia ............................... 82  1.1.2 Política ambiental en Colombia.......................................................................................... 83  1.1.3 La fusión de Ministerio de medio Ambiente y Ministerio de Desarrollo: un balance negativo ........................................................................................................................................... 83  1.1.4 El Ecofondo: respuestas socio-ambientales en un país turbulento. ............................ 85 

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1.1.5 Día mundial del agua: la defensa del Santurbán, un compromiso irrenunciable. ...... 86  1.1.6 Consideraciones finales. ..................................................................................................... 87  1.2 RECURSOS ENERGÉTICOS ............................................................................................... 89  1.2.1 Fuentes no renovables o agotables. ................................................................................. 89  1.3 FLUJO DE ENERGÍA TERRESTRE. ................................................................................... 91  1.4 COMBUSTIBLES FÓSILES................................................................................................... 93  1.4.1 Reservas de petróleo. ......................................................................................................... 93  1.4.2 Reservas de gas natural ..................................................................................................... 95  1.4.3 Reservas de carbón ............................................................................................................. 96  1.5 ENERGÍA GEOFÍSICA ........................................................................................................... 97  1.5.1 Hidroelectricidad ................................................................................................................... 98  1.5.2 Energía eólica ....................................................................................................................... 99  1.5.3 Energía geotérmica. ........................................................................................................... 100  1.5.4 Energía solar. ...................................................................................................................... 100  1.6 ENERGÍA NUCLEAR. ........................................................................................................... 101  CAPÍTULO 2 ................................................................................................................................. 105  ELEMENTOS DE TERMODINÁMICA ...................................................................................... 105  INTRODUCCIÓN ......................................................................................................................... 106  2.1 CONCEPTOS DE TERMODINÁMICA. .............................................................................. 106  2.1.1 Conceptos y definiciones .................................................................................................. 107  2.2 LEY CERO DE LA TERMODINÁMICA .............................................................................. 110  2.2.1 Trabajo en sistemas termodinámicos ............................................................................. 111  2.2.2 Medida del trabajo, Convenio de signos y notación ..................................................... 111  2.2.3 Trabajo en sistema compresible ...................................................................................... 112  2.2.4 Trabajo cuasiestático ......................................................................................................... 113  2.3 PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA ............................................................. 114  2.3.1 Procesos adiabáticos ......................................................................................................... 114  2.3.2 El primer principio ............................................................................................................... 114  2.3.3 Procesos no adiabáticos ................................................................................................... 115  2.3.4 Trabajo, calor y energía .................................................................................................... 115  2.3.5 La energía interna .............................................................................................................. 116  2.3.6 El calor ................................................................................................................................. 116  2.3.7 La sustancia pura ............................................................................................................... 117  2.3.8 Procesos simples ............................................................................................................... 118  2.3.9 Diagrama de fases: P-T .................................................................................................... 120  2.3.10 Valores de las propiedades termodinámicas ............................................................... 121  2.3.11 Diagramas termodinámicos ............................................................................................ 121  2.3.12 El gas ideal ........................................................................................................................ 122  2.4 SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA......................................................... 123  2.4.1 Necesidad de la Segunda Ley ......................................................................................... 125  2.4.2 Utilidad de la Segunda Ley: .............................................................................................. 125  2.4.3 Procesos reversibles e irreversibles ................................................................................ 125  2.4.4 Entropía ............................................................................................................................... 126  2.4.5 Balance de entropía en sistemas cerrados .................................................................... 130  2.4.6Balance de entropía en volúmenes de control ............................................................... 130  2.5 PRINCIPIO DE EXERGÍA .................................................................................................... 130 

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2.5.1 Balances de exergía .......................................................................................................... 131  CAPÍTULO 3 ................................................................................................................................. 132  MAQUINAS TÉRMICAS ............................................................................................................. 132  INTRODUCCIÓN ......................................................................................................................... 133  3.1 MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA ........................................................................ 134  3.1.1 Clasificación de motores de combustión interna ........................................................... 135  3.1.2 Funcionamiento del motor de explosión de cuatro tiempos ........................................ 135  3.1.3 Motor de dos tiempos ........................................................................................................ 143  3.1.4 Motor Diesel ........................................................................................................................ 144  3.1.5 Motor Wankel ...................................................................................................................... 148  3.1.6 Motor de cuatro tiempos (Ciclo Atkinson) ...................................................................... 150  3.2 TURBINAS .............................................................................................................................. 151  3.2.1 Turbinas de gas .................................................................................................................. 152  3.2.2 Turbina de vapor ................................................................................................................ 155  3.2.3 Clasificación de las turbinas de vapor ........................................................................... 157  3.3 MOTORES DE COMBUSTIÓN EXTERNA ....................................................................... 159  3.3.1 Motor Stirling. ...................................................................................................................... 160  3.3.2 Máquina de vapor. ............................................................................................................. 161  3.4 REFRIGERACIÓN ............................................................................................................... 163  3.4.1 Aplicaciones de la refrigeración ....................................................................................... 165  3.4.2 Refrigeración por compresión. ......................................................................................... 165  3.4.3 Refrigerantes ....................................................................................................................... 167  3.4.3 Efectos ambientales de los refrigerantes ....................................................................... 167  3.4.4 Ministerio de ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial ............................................. 168  3.4.4.1 Colombia y el protocolo de Montreal ........................................................................... 168  3.4.4.2 Avances en las medidas de control en Colombia ...................................................... 168  CAPÍTULO 4 ................................................................................................................................. 170  PROCESOS DE CONVERSIÓN DE ENERGÍA ...................................................................... 170  INTRODUCCIÓN ......................................................................................................................... 171  4.1 CONVERSIÓN QUÍMICA ..................................................................................................... 172  4.1.1 Conversión electroquímica ............................................................................................... 172  4.1.2 Celdas de combustible ...................................................................................................... 174  4.1.3 Eficiencia de la conversión química ................................................................................ 177  4.1.4 Acumulador eléctrico o pila ............................................................................................... 178  4.1.5 Impacto en el medio ambiente ......................................................................................... 187  4.2 CONVERSIÓN FOTOVOLTAICA ....................................................................................... 189  4.2.1 Tipos de células fotovoltaicas .......................................................................................... 191  4.2.2 Coeficiente de absorción en función de la longitud de onda ....................................... 193  4.2.3 Respuesta espectral. ......................................................................................................... 193  4.2.4 Características del voltaje. ................................................................................................ 194  4.2.5 Aplicaciones de la tecnología fotovoltaica ...................................................................... 195  4.2.6 Tendencias actuales .......................................................................................................... 197  CAPÍTULO 5 ................................................................................................................................. 203  ENERGÍA EÓLICA ....................................................................................................................... 203  INTRODUCCIÓN ......................................................................................................................... 204  5.1 Energía eólica. ....................................................................................................................... 205 

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5.1.1 Evolución Histórica ............................................................................................................. 205  5.1.2 El Recurso como Viento ................................................................................................... 207  5.2 RECURSO EÓLICO .............................................................................................................. 207  5.2.1 Patrones Globales De Circulación ................................................................................... 208  5.3 POTENCIA ESPECIFICA DEL VIENTO ............................................................................ 210  5.4 VELOCIDAD DEL VIENTO .................................................................................................. 212  5.4.1 Tubo de corriente de viento .............................................................................................. 215  5.5 ESTIMACIÓN DE LA ENERGÍA EÓLICA .......................................................................... 216  5.6 VALORES ACTUALES Y PROYECCIÓN HACIA EL FUTURO .................................... 217  5.6.1 Disposición General y Tecnología Actual ....................................................................... 220  5.7 SISTEMA DE ALMACENAMIENTO ................................................................................... 223  5.7.1 Acumulación térmica ......................................................................................................... 223  5.7.2 Bombeo de agua ................................................................................................................ 224  5.7.3 Baterías ................................................................................................................................ 224  5.7.4 Generación de hidrógeno y célula de combustible ....................................................... 224  5.7.5 Volante de inercia ............................................................................................................... 225  5.8 CURVA DE POTENCIA ........................................................................................................ 225  5.9 CONSIDERACIONES MEDIOAMBIENTALES Y MANTENIMIENTO .......................... 226  5.9.1 Seguridad ............................................................................................................................ 227  5.9.2 Impacto sobre la flora ........................................................................................................ 227  5.9.3 Aves ...................................................................................................................................... 227  5.9.4 Interferencia eléctrica ........................................................................................................ 227  5.9.5 Sombra proyectada ............................................................................................................ 228  5.9.6 Ruido .................................................................................................................................... 228  5.9.7 Mantenimiento .................................................................................................................... 229  5.10 ASPECTOS ECONÓMICOS Y DE GESTIÓN ................................................................ 229  5.11.1 Caracterización del Sector Energético Colombiano ................................................... 232  5.11.2 Estudios y Tecnología Instalada .................................................................................... 233  5.11.3 Características Parque Eólico Jepírachi ...................................................................... 235  5.11.4 Costos de Instalación y Generación en Colombia ...................................................... 237  5.12 VENTAJAS Y DESVENTAJAS DE LA ENERGÍA EÓLICA. ......................................... 237  5.12.1 Ventajas. ............................................................................................................................ 237  5.12.2 Desventajas ...................................................................................................................... 238  CAPITULO 6 ................................................................................................................................. 240  HIDROELECTRICIDAD .............................................................................................................. 240  INTRODUCCIÓN ......................................................................................................................... 241  6.1 Central hidroeléctrica ............................................................................................................ 242  6.1.1 Acerca de la energía hidroeléctrica ................................................................................. 243  6.1.2 Componentes de las instalaciones hidroeléctricas ....................................................... 243  6.2 ENERGÍA HIDRÁULICA EN EL MUNDO .......................................................................... 244  6.3 ENERGÍA HIDRÁULICA EN COLOMBIA .......................................................................... 245  6.3.1 Porcentaje de participación de la energía eléctrica en Colombia ............................... 245  6.3.2 Proyectos a realizar en Colombia .................................................................................... 250  6.4 LA MINIHIDROELÉCTRICA EN EL MUNDO ................................................................... 256  6.4.1 Clasificación de centrales ................................................................................................. 256  6.4.2 Tipos de minicentrales hidroeléctricas ............................................................................ 258 

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6.4.3 Elementos de una minicentral hidroeléctrica ................................................................. 259  6.4.4 Turbinas ............................................................................................................................... 260  6.4.5 Selección del tipo de turbina ............................................................................................ 263  6.4.6 Parámetros fundamentales para el diseño de una minicentral hidroeléctrica .......... 264  6.4.7 Potencia de la minicentral ................................................................................................. 268  6.5 IMPACTO DE LAS REPRESAS .......................................................................................... 268  6.5.1 Las Mega-Represas ........................................................................................................... 268  6.6 IMPACTOS AMBIENTALES ................................................................................................ 271  6.7 IMPACTOS SOCIOCULTURALES ..................................................................................... 272  6.7 BENEFICIOS DE LA ENERGÍA HIDRÁULICA ................................................................. 273  CAPÍTULO 7 ................................................................................................................................. 274  MAGNETOHIDRODINÁMICA .................................................................................................... 274  INTRODUCCIÓN ......................................................................................................................... 275  7.1 QUE ES LA MAGNETOHIDRODINÁMICA ....................................................................... 276  7.2 ECUACIONES DE LA MAGNETOHIDRODINÁMICA ..................................................... 280  7.3 TIPOS DE CICLOS MAGNETOHIDRODINÁMICOS ....................................................... 282  7.4 LAS INSTALACIONES MAGNETOHIDRODINÁMICAS U-25 ....................................... 282  7.5 TIPOS DE CICLOS MAGNETOHIDRODINÁMICOS ....................................................... 283  CAPÍTULO 8 ................................................................................................................................. 290  COMBUSTIBLES RENOVABLES Y NO RENOVABLES ...................................................... 290  INTRODUCCIÓN ......................................................................................................................... 291  8.1 COMBUSTIBLES ................................................................................................................... 292  8.1.1 Historia de la combustión. ................................................................................................. 292  8.1.2 Reacción de combustión ................................................................................................... 293  8.1.3 Entalpía de formación ........................................................................................................ 293  8.1.4 Clasificación de los combustibles .................................................................................... 294  8.1.5 Combustibles sintéticos. ................................................................................................... 297  8.1.6 Combustibles en Colombia ............................................................................................... 298  8.2 BIOMASA ................................................................................................................................ 300  8.2.1 Biomasa de origen residual .............................................................................................. 302  8.2.2 Cultivos energéticos ........................................................................................................... 305  8.2.3 Características térmicas de la biomasa .......................................................................... 305  8.2.4 Características del combustible de la biomasa ............................................................. 308  8.2.5 Procesos de conversión de la biomasa en energía ...................................................... 308  8.2.6 Tecnología de la combustión para la industria .............................................................. 313  8.2.7 Biomasa en el mundo ........................................................................................................ 314  8.2.8 Biomasa en Colombia ....................................................................................................... 316  8.2.9 Aspectos medio ambientales de la combustión de la biomasa .................................. 318  8.2.10 Ventajas y desventajas .................................................................................................. 320  8.3 BIOCOMBUSTIBLES ............................................................................................................ 321  8.3.1 Bioetanol .............................................................................................................................. 321  8.3.2 Biodiesel .............................................................................................................................. 324  8.3.3 Puntos de vista de los biocombustibles .......................................................................... 326  8.4 BREVE HISTORIA DE LOS BIOCOMBUSTIBLES ......................................................... 328  8.4.1 Biocombustibles de primera generación ........................................................................ 329  8.4.2 Biocombustibles de segunda generación ....................................................................... 329 

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8.4.3 Tercera generación: las microalgas ................................................................................ 332  8.4.4 Cuarta generación .............................................................................................................. 334  8.4.5 Investigación en Colombia ................................................................................................ 335  CAPITULO 9 ................................................................................................................................ 338  INTRODUCCIÓN ......................................................................................................................... 339  9.1 EVOLUCIÓN HISTÓRICA ................................................................................................... 340  9.2 GEOTERMIA .......................................................................................................................... 340  9.3 Manifestaciones geotérmicas .............................................................................................. 342  9.4 APLICACIONES Y TIPOS DE ENERGÍA GEOTÉRMICA .............................................. 343  9.5 Explotación del recurso geotérmico.................................................................................... 344  9.6 GEOTERMIA EN EL MUNDO ............................................................................................. 345  9.7 IMPACTO AMBIENTAL ........................................................................................................ 346  9.8 PANORAMA NACIONAL ..................................................................................................... 347  CAPÍTULO 10 ............................................................................................................................... 350  ENERGÍA SOLAR ........................................................................................................................ 350  INTRODUCCIÓN ......................................................................................................................... 351  10.1 LA CONSTANTE SOLAR .................................................................................................. 352  10.2 DISTRIBUCIÓN ESPECTRAL DE LA RADIACIÓN SOLAR EXTRATERRESTRE . 354  10.3 ENERGÍA SOLAR EN EL MUNDO .................................................................................. 355  10.4 POSIBLES ÁREAS DE APLICACIÓN DE LA ENERGÍA SOLAR ............................... 356  10.4.1 Sistemas de concentradores lineales de Fresnel (LFR). ........................................... 357  10.4.2 Sistemas de receptor central o torre solar. .................................................................. 358  10.4.3 Sistemas de disco parabólico. ....................................................................................... 358  10.4.4 Sistemas de canales parabólicos. ................................................................................. 359  CAPITULO 11 ............................................................................................................................... 364  ENERGÍA NUCLEAR .................................................................................................................. 364  INTRODUCCIÓN ......................................................................................................................... 365  11.1 QUE ES LA ENERGÍA NUCLEAR. .................................................................................. 366  11.2 FUNDAMENTOS FÍSICOS ................................................................................................ 367  11.3 Reactores nucleares de fisión ........................................................................................... 368  11.3.1Fisión Nuclear .................................................................................................................... 368  11.3.2 Reactores de fisión .......................................................................................................... 369  11.4 REACTORES NUCLEARES DE GENERACIÓN ........................................................... 372  11.5 SEGURIDAD EN LOS REACTORES NUCLEARES ..................................................... 373  11.5.1 Sistema de Control .......................................................................................................... 373  11.5.2 Sistema de Contención ................................................................................................... 373  11.5.3 Concepto de Seguridad a Ultranza ............................................................................... 374  11.5.4 Ciclo del combustible nuclear ........................................................................................ 374  11.6 FUSIÓN NUCLEAR ............................................................................................................ 376  11.7 ENERGÍA NUCLEAR EN EL MUNDO ............................................................................. 377  11.8 ENERGÍA NUCLEAR EN COLOMBIA ............................................................................. 378  11.9 IMPACTO AMBIENTAL ...................................................................................................... 379  11.9.1 ¿Pero qué daño ambiental causa la energía nuclear? .............................................. 379  CAPÍTULO 12 ............................................................................................................................... 392  MANEJO DEL CALOR RESIDUAL ........................................................................................... 392  INTRODUCCIÓN ......................................................................................................................... 393 

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12.2 CALOR RESIDUAL EN GENERACIÓN ELÉCTRICA ................................................... 394  12.3 CALOR RESIDUAL EN LA INDUSTRIA .......................................................................... 397  12.3.1 Recuperación de calor a alta temperatura. .................................................................. 398  12.3.2 Recuperación de calor a temperatura media. ............................................................. 398  12.3.3 Recuperación de calor a baja temperatura. ................................................................. 399  12.4 DISPOSITIVOS DISEÑADOS PARA LA RECUPERACIÓN DEL CALOR RESIDUAL.  ........................................................................................................................................................ 399  12.5 EFECTOS DEL CALOR RESIDUAL EN EL AMBIENTE. ............................................. 403  12.5.1 Efectos en el agua ........................................................................................................... 403  12.5.2 Efectos en la atmósfera .................................................................................................. 404  12.6 DISPERSIÓN DEL CALOR ............................................................................................... 405  12.6.1 Intercambiadores de calor .............................................................................................. 406  12.6.2 Torres de enfriamiento .................................................................................................... 407  12.7 APLICACIONES ÚTILES Y PANORAMA DE LOS RESIDUOS ENERGÉTICOS .... 407  12.7.1 Microcogeneración ........................................................................................................... 408  12.7.2 Materiales termoeléctricos .............................................................................................. 410  12.7.3 Cogeneración ................................................................................................................... 412  12.7.3.1 Tipos fundamentales de cogeneración. .................................................................... 414  12.8 LA COGENERACIÓN COMO ALTERNATIVA ENERGÉTICA SOSTENIBLE EN COLOMBIA ................................................................................................................................... 419  12.8.1 Aspectos de la Ley 697 del 2001 Con el fin, de fomentar el uso racional y eficiente de la energía (URE) ..................................................................................................................... 422  12.8.2 Inversiones requeridas en Sistemas de Cogeneración ............................................. 423  CAPÍTULO 13 ............................................................................................................................... 426  ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA ......................................................................................... 426  INTRODUCCIÓN ......................................................................................................................... 427  13.1 ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA ................................................................................ 428  13.2 ALTERNATIVAS DE ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA ........................................... 429  13.3 ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA MECÁNICA .......................................................... 432  13.3.1 Hidroelectricidad bombeada – Pumped Hydro (PHES) ............................................. 432  13.3.2 Almacenamiento de Energía con Aire Comprimido - CAES Compressed Air Energy Storage .......................................................................................................................................... 434  13.3.3 Volantes de Inercia – Flywheels .................................................................................... 438  13.4 ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA QUÍMICA .............................................................. 441  13.4.1 Baterías ............................................................................................................................. 441  13.5 Almacenamiento de energía eléctrica .............................................................................. 450  13.5.1 Superconductores Magnéticos - Superconducting Magnetic Energy Storage (SMES) .......................................................................................................................................... 450  13.5.2 Supercondensadores - Electric Double-Layer capacitor (EDLC) ............................. 451  13.6 ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA TÉRMICA ............................................................. 453  13.6.1 Almacenamiento Termosolar ......................................................................................... 453  13.6.2 Almacenamiento por Sales Fundidas ........................................................................... 454  13.6.3 Almacenamiento por Vapor ............................................................................................ 456  13.6.4 Almacenamiento de Hielo ............................................................................................... 456  CAPÍTULO 14 ............................................................................................................................... 458  EFICIENCIA EN EL USO DE LA ENERGÍA ............................................................................ 458 

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INTRODUCCIÓN ......................................................................................................................... 459  14.1 CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA DOMÉSTICA Y COMERCIAL .......................... 460  14.1.1 La eficiencia energética: algo que es más fácil decir que hacer .............................. 460  14.2 PLAN DE ACCIÓN NACIONAL DE EFICIENCIA ENERGÉTICA ............................... 463  14.2.1 Marco legal para la eficiencia energética en Colombia ............................................. 464  14.2.2 Claves para su desarrollo de la eficiencia energética en Colombia. ....................... 464  14.2.3 Como ayudamos nosotros con la eficiencia energética? .......................................... 464  14.3 LAS GRANDES PETROLERAS SE VUELVEN VERDES ............................................ 465  14.4 GREEN BUILDING ............................................................................................................. 466  14.4.1 Green Building en Colombia .......................................................................................... 467  14.5 CONSERVACIÓN DE LA ENERGÍA EN LA INDUSTRIA. ........................................... 468  14.5.2 Percepción de la situación en el sector industrial ....................................................... 468  14.5.2 Uso Racional de la Energía (URE) ................................................................................ 469  14.5.3 Programas de gerenciamiento energético ................................................................... 471  14.5.4 Programas de eficiencia energética para la industria en Colombia ........................ 472  14.5.5 Transporte ......................................................................................................................... 477  14.5.6 Los condicionamientos del futuro .................................................................................. 481  CAPÍTULO15 ................................................................................................................................ 485  BALANCE DE ENERGÍA GLOBAL ........................................................................................... 485  INTRODUCCIÓN ......................................................................................................................... 486  15.1 BALANCE DE ENERGÍA GLOBAL .................................................................................. 487  15.2 LEYES DE RADIACIÓN ..................................................................................................... 487  15.3 LA ATMÓSFERA ................................................................................................................. 489  15.3.1 Composición de la atmósfera ......................................................................................... 489  15.4 PRINCIPALES GASES DE EFECTO INVERNADERO ................................................ 491  15.4.1 Dióxido de carbono .......................................................................................................... 492  15.4.2 Metano ............................................................................................................................... 492  15.4.3 Óxido nitroso ..................................................................................................................... 493  15.4.4 Ozono ................................................................................................................................ 493  15.4.5 Halocarbonos .................................................................................................................... 494  15.4.6 Otros oligoelementos ....................................................................................................... 494  15.4.7 Aerosoles........................................................................................................................... 494  15.5 OTROS COMPONENTES DEL BALANCE ENERGÉTICO GLOBAL ........................ 496  15.5.1 Los Océanos ..................................................................................................................... 496  15.5.2 La Criosfera ....................................................................................................................... 497  15.5.3 Biosfera .............................................................................................................................. 498  15.5.4 Geosfera ............................................................................................................................ 499  15.6 FORZAMIENTO RADIATIVO ............................................................................................ 499  15.7 ENFRENTANDO EL PROBLEMA DEL CALENTAMIENTO GLOBAL ....................... 501  15.7.1 Agenda 21 ......................................................................................................................... 501  15.7.2 Declaración de Río .......................................................................................................... 501  15.7.3 Convención Marco sobre Cambio Climático ................................................................ 501  15.7.4 Protocolo de Kyoto ........................................................................................................... 502  15.8 BALANCE DE ENERGÍA GLOBAL EN COLOMBIA ..................................................... 502  15.8.1 Emisiones de Dióxido de Carbono total (CO2) ............................................................ 503  15.8.2 Emisiones de Metano (CH4) total .................................................................................. 505 

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15.8.3 Emisiones de Óxido Nitroso total (N2O) ....................................................................... 506  CAPÍTULO 16 ............................................................................................................................... 508  EFECTOS CLIMÁTICOS LOCALES ......................................................................................... 508  INTRODUCCIÓN ......................................................................................................................... 509  16.1 CAMBIOS MICROCLIMÁTICOS ...................................................................................... 510  16.2 MICROCLIMAS ................................................................................................................... 511  16.3 CONTAMINANTES DEL AIRE .......................................................................................... 515  16.4 CONTAMINANTES GASEOSOS ..................................................................................... 516  16.4.1 El dióxido de carbono (CO2 ) .......................................................................................... 517  16.4.2 El monóxido de carbono (CO)........................................................................................ 517  16.4.3 Los óxidos de nitrógeno (NOX) ...................................................................................... 517  16.4.4 Los óxidos de azufre (SOx) ............................................................................................. 518  16.5 MATERIAL PARTICULADO .............................................................................................. 519  16.6 ÍNDICE DE CALIDAD DEL AIRE (ICA) ........................................................................... 521  16.7 CONTROLES DE CONTAMINACIÓN DEL AIRE .......................................................... 522  16.7.1 Atmósfera .......................................................................................................................... 522  16.7.2 ¿Qué es la atmósfera? .................................................................................................... 523  16.8 CONTAMINACIÓN ATMOSFÉRICA ............................................................................... 526  16.9 METEOROLOGÍA Y EFECTOS SOBRE LA SALUD .................................................... 528  16.10 FUENTES Y CONTROL .................................................................................................. 529  16.10.1 Efectos a gran escala .................................................................................................... 530  16.10.2 Medidas gubernamentales ........................................................................................... 531  16.11 INVERSIÓN TÉRMICA .................................................................................................... 531  16.11.1 Inversiones próximas a la superficie ........................................................................... 532  16.11.2 Inversiones atmosféricas .............................................................................................. 533  16.12 EFECTOS ADVERSOS DE LA INVERSIÓN TÉRMICA ............................................. 533  16.13 CONTAMINACIÓN PRODUCIDA POR EL TRÁFICO ................................................ 534  16.14 CAPA DE OZONO ............................................................................................................ 536  16.14.1 El ozono lo podemos encontrar de dos maneras ..................................................... 538  16.14.2 El ozono troposférico y sus efectos sobre la salud .................................................. 540  16.14.3 Formación fotoquímica del ozono ............................................................................... 541  16.14.4 Efectos que se pueden producir sobre la salud. ....................................................... 542  CAPÍTULO 17 ............................................................................................................................... 543  RADIACIÓN EN EL MEDIO AMBIENTE .................................................................................. 543  INTRODUCCIÓN ......................................................................................................................... 544  17.1 RADIACIÓN EN EL MEDIO AMBIENTE ......................................................................... 545  17.2 INTERACCIÓN DE LA RADIACIÓN CON LA MATERIA ............................................. 545  17.3 NATURALEZA DE LA RADIACIÓN ................................................................................. 545  17.4 INTERACCIÓN DE PARTÍCULAS CARGADAS ............................................................ 548  17.5 INTERACCIÓN DE LA RADIACIÓN ELECTROMAGNÉTICA CON LA MATERIA .. 548  17.6 MECANISMOS DE INTERACCIÓN ................................................................................. 549  17.7 INTERACCIÓN DE LOS NEUTRONES CON LA MATERIA ....................................... 553  17.8 UNIDADES DE RADIACIÓN ............................................................................................. 554  17.8.1 Actividad (A) ......................................................................................................................... 554  17.8.2 Dosis absorbida (D) ......................................................................................................... 554  17.8.3 Dosis equivalente (H) ...................................................................................................... 555 

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17.9 RADIACIÓN DE FONDO ................................................................................................... 555  17.9.1 Solar Flux .......................................................................................................................... 556  17.10 RADIACIÓN SOLAR EN COLOMBIA ............................................................................ 556  17.11 RADIOISÓTOPOS ............................................................................................................ 557  17.12 RADIACIÓN ARTIFICIAL ................................................................................................. 559  17.13 EFECTOS DE LA RADIACIÓN ....................................................................................... 562  17.13.1 Factores que influyen en la radio sensibilidad: ......................................................... 562  17.13.2 Clasificación de los efectos biológicos ....................................................................... 563  17.13.3 Según la relación causa-efecto ................................................................................... 563  17.13.4 Según la Relación Temporal ........................................................................................ 563  17.13.5 Según los tejidos irradiados ......................................................................................... 564  17.14 RESPUESTAS SISTEMÁTICAS Y DE ALGUNOS ÓRGANOS A LA RADIACIÓN 565  17.15 SÍNTOMAS CLÍNICOS DE LA RADIACIÓN ................................................................. 565  17.16 ESTÁNDARES DE LA RADIACIÓN .............................................................................. 569  17.17 PRINCIPIOS DE PROTECCIÓN RADIOLÓGICA ....................................................... 570  17.17.1 Exposiciones injustificadas ........................................................................................... 570  17.17.2 Restricciones de dosis y niveles de referencia ......................................................... 570  17.18 SITUACIONES DE EXPOSICIÓN DE EMERGENCIA ............................................... 571  CAPÍTULO 18 ............................................................................................................................... 575  DESARROLLO SOSTENIBLE ................................................................................................... 575  INTRODUCCIÓN ......................................................................................................................... 576  18.1 DESARROLLO SOSTENIBLE .......................................................................................... 576  18.2 LAS CUMBRES MUNDIALES SOBRE EL DESARROLLO SOSTENIBLE ............... 580  18.3 ANTECEDENTES EN MATERIA DE DESARROLLO SUSTENTABLE ..................... 580  18.3.1 Año, Definición y contexto de interpretación ............................................................... 581  18.4 ENERGÍA E IMPACTO AMBIENTAL ............................................................................... 585  18.5 ENERGÍA Y CRECIMIENTO ECONÓMICO ................................................................... 586  18.6 ENERGÍA Y NECESIDADES BÁSICAS HUMANAS ..................................................... 588  18.7 PRINCIPIOS DEL DESARROLLO SOSTENIBLE ......................................................... 591  18.8SOSTENIBILIDAD DEL SISTEMA HUMANO ................................................................. 593  18.9 SOSTENIBILIDAD DEL SISTEMA ECOLÓGICO .......................................................... 594  18.9.1 Sostenibilidad del sistema socioecológico total .......................................................... 594  18.9.2 Implementación ................................................................................................................ 596  18.10 Valores y Ética ambiental ................................................................................................ 598  18.11 ECOLOGÍA Y PRÁCTICAS PROFESIONALES .......................................................... 599  18.12 DESARROLLO Y MEDIO AMBIENTE: UNA MIRADA A COLOMBIA ...................... 601  18.12.1 Estrategias de desarrollo e impacto ambiental en Colombia .................................. 601  18.12.2 Estado del medio ambiente y los recursos naturales en Colombia ....................... 602  18.13 ALGUNAS OBSERVACIONES ....................................................................................... 603  BIBLIOGRAFÍA ............................................................................................................................. 606  WEBGRAFIA................................................................................................................................. 613  ANEXOS ........................................................................................................................................ 615 

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LISTA DE DIAGRAMAS DIAGRAMA 1: DIAGRAMA QUE DEMUESTRA LA DISTRIBUCIÓN DE LA ENERGÍA ENTRE LAS DIVERSAS FUENTES Y SUMIDEROS EN LA TIERRA .. 92 DIAGRAMA 2: MÉTODOS DE ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA ................... 430 DIAGRAMA 3: BENEFICIOS GENERALES DEL USO EFICIENTE DE LA ENERGÍA ............................................................................................................. 476 DIAGRAMA 4: TIPOS DE MODIFICACIONES CLIMÁTICAS.............................. 512 DIAGRAMA 5: LA SOSTENIBILIDAD EN LAS TAREAS DE LOS PROFESIONALES DE LA INGENIERÍA .............................................................. 596

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LISTA DE TABLAS TABLA 1: FORMACIÓN ACADÉMICA DIRECTOR DEL PROYECTO .................. 52 TABLA 2: SUBTEMAS DEL SEMINARIO DE INVESTIGACIÓN ........................... 60 TABLA 3: ASIGNACIÓN DE ROLES POR SUBTEMAS ........................................ 71 TABLA4: PAÍSES DEL MUNDO UBICADOS EN LAS PRIMERAS 60 POSICIONES......................................................................................................... 84 TABLA 5: RESERVAS CARBONÍFERAS DE COLOMBIA, MILLONES DE TONELADAS (MT)................................................................................................. 97 TABLA 6: CAPACIDAD EÓLICA DESDE EL 2004 AL 2008 .................................. 99 TABLA 7: MODOS DE TRABAJO CUASIESTÁTICOS ....................................... 113 TABLA 8: CLASIFICACIÓN DE PROCESOS CONTINUOS................................ 124 TABLA 9: SUSTANCIAS AGOTADORAS DE LA CAPA DE OZONO ................. 168 TABLA 10: TIPOS DE PILAS DE COMBUSTIBLE .............................................. 177 TABLA 11: IMPACTOS Y BENEFICIOS QUE APORTA EL USO DE LOS SISTEMAS FOTOVOLTAICOS CONECTADOS A LA RED ELÉCTRICA CONVENCIONAL ................................................................................................ 196 TABLA 12: LARGE SCALE PHOTOVOLTAIC POWER PLANTS, 2007 ............. 198 TABLA 13: ESCALA DE CLASES DE VIENTO SEGÚN SU VELOCIDAD .......... 210 TABLA 14: NÚMERO DE BEAUFORT ................................................................ 210 TABLA 15: VARIACIÓN DE LA POTENCIA EÓLICA ESPECÍFICA .................... 212 TABLA 16: DENSIDAD DEL AIRE A DIFERENTES ALTURAS SOBRE EL NIVEL DEL MAR ............................................................................................................. 212 TABLA 17: TIPOS DE RUGOSIDAD ................................................................... 214 TABLA 18: RELACIONES GENERALES ENTRE VIABILIDAD Y VELOCIDAD DE VIENTO PARA SU USO COMO FUENTE DE ENERGÍA .................................... 216 TABLA 19: POSICIONAMIENTO DE LOS PAÍSES SEGÚN SU CAPACIDAD INSTALADA ......................................................................................................... 219 TABLA 20: TAMAÑO TÍPICO DE AEROGENERADORES ELÉCTRICOS Y SU VELOCIDAD DE ROTACIÓN .............................................................................. 220 TABLA 21: CARACTERÍSTICAS ROTORES EÓLICOS ..................................... 222 TABLA 22: VELOCIDAD DEL VIENTO EN DIFERENTES SECTORES DE COLOMBIA .......................................................................................................... 231 TABLA 23: CAPACIDAD EFECTIVA NETA DEL SIN A DICIEMBRE 31 DE 2010 .............................................................................................................................233 TABLA 24: CARACTERÍSTICAS DEL GENERADOR NORDEX N60 ................. 236 TABLA 25: COSTO DE GENERACIÓN E INSTALACIÓN DE LAS DIFERENTES TECNOLOGÍAS EN COLOMBIA ......................................................................... 237 TABLA 26: GENERACIÓN MENSUAL DE ENERGÍA EN COLOMBIA ............... 246 TABLA 27: PRINCIPALES CENTRALES HIDROELÉCTRICAS DE COLOMBIA 249 TABLA 28: INDICADORES DE LA BOLSA DE ENERGÍA EN COLOMBIA ......... 250 TABLA 29: CLASIFICACIÓN DE LAS CENTRALES HIDRÁULICAS POR SU POTENCIA........................................................................................................... 257 TABLA 30: PANORAMA DE LA MINIHIDRÁULICA EN EL MUNDO ................... 258 30   

TABLA 31: CLASIFICACIÓN DE LOS COMBUSTIBLES .................................... 297 TABLA 32: PROCESOS DE TRANSFORMACIÓN DE LA BIOMASA EN ENERGÍA .............................................................................................................................309 TABLA 33: PROCESO DE GASIFICACIÓN ........................................................ 310 TABLA 34: PROCESO DE PIROLISIS ................................................................ 312 TABLA 35: POTENCIAL ENERGÉTICO DE LA BIOMASA RESIDUAL DEL SECTOR AGRÍCOLA EN COLOMBIA ................................................................. 318 TABLA 36: EXPLOTACIÓN DE LA ENERGÍA GEOTÉRMICA EN EL MUNDO .. 345 TABLA 37: POTENCIAL GEOTÉRMICO MUNDIAL ............................................ 346 TABLA 38: BASE DE RECURSOS GEOTÉRMICOS ACCESIBLE POR REGIONES .......................................................................................................... 346 TABLA 39: EFICIENCIAS DE LOS CICLOS TERMODINÁMICOS DE GENERACIÓN ELÉCTRICA ................................................................................ 395 TABLA 40: TEMPERATURA DE GASES DE DIFERENTES EQUIPOS ............. 398 TABLA 41: TEMPERATURA RESIDUAL DE ALGUNOS EQUIPOS ................... 398 TABLA 42: TEMPERATURAS TÍPICAS DE CALOR DE DESECHO PARA DIVERSAS FUENTES ......................................................................................... 399 TABLA 43 COSTOS OPERACIÓN Y MANTENIMIENTO .................................... 424 TABLA 45: COMPARACIÓN DE DISTINTOS MATERIALES USADOS EN TANQUES DE ALMACENAMIENTO ................................................................... 435 TABLA 46: DENSIDADES DE ENERGÍA DE VARIOS COMBUSTIBLES ........... 450 TABLA 47: PROPIEDADES DE ALGUNOS AISLANTES DIELÉCTRICOS ........ 452 TABLA 48: COMPOSICIÓN MEDIA DE LA ATMÓSFERA DEBAJO DE 25KM .. 490 TABLA 49: PRINCIPALES GASES DE EFECTO INVERNADERO ..................... 495 TABLA 50: EMISIONES DE GASES EFECTO INVERNADERO EN COLOMBIA: DIÓXIDO DE CARBONO (CO2) 1990, 1994, 2000 Y 2004.................................. 504 TABLA 51: COLOMBIA. EMISIONES DE GASES EFECTO INVERNADERO: METANO (CH4) 1990, 1994, 2000 Y 2004........................................................... 505 TABLA 52: COLOMBIA. EMISIONES DE GASES EFECTO INVERNADERO: ÓXIDO NITROSO (N2O) 1990, 1994, 2000 Y 2004 ............................................. 506 TABLA 53: CÓDIGO DEL ÍNDICE DE CALIDAD DEL AIRE ............................... 521 TABLA 54: ESTÁNDARES NACIONALES DE LA CALIDAD AMBIENTAL DEL AIRE .................................................................................................................... 529 TABLA 55: TIPOS DE RADIACIÓN IONIZANTE ................................................. 546 TABLA 56: UNIDADES DE RADIACIÓN ............................................................. 555 TABLA 57: ELEMENTOS RADIACTIVOS ........................................................... 557 TABLA 58: ALGUNOS DE LOS RADIONÚCLIDOS PRODUCIDOS POR RAYOS CÓSMICOS ......................................................................................................... 558 TABLA 59: EL COMPORTAMIENTO BIOLÓGICO DE CIERTOS ELEMENTOS 559 TABLA 60: EFECTOS DE LA RADIACIÓN SOBRE LA PIEL .............................. 566 TABLA61: VALORES COMPARATIVOS DE DOSIS DE RADIACIÓN ................ 568 TABLA 62: ASPECTOS AMBIENTALES A INTEGRAR COMO OBJETIVOS SOSTENIBLES EN LAS ACTIVIDADES PROFESIONALES DEL INGENIERO . 595 TABLA 63: MEDIDAS MÍNIMAS DE CONTROL A TOMAR EN CUENTA EN LA EJECUCIÓN DE UNA OBRA DE INGENIERÍA ................................................... 597 31   

LISTA DE FIGURAS Figura 1: Esquema metodológico del Seminario de investigación ......................... 56 Figura 2: Acta de la sesión .................................................................................... 74 Figura 3: reserva, producción y consumo en el mundo de energías no renovables ............................................................................................................................... 90 Figura 4: Reservas comprobadas de petróleo en el mundo .................................. 94 Figura 5: Reservas comprobadas de petróleo en Sudamérica .............................. 94 Figura 6: Reservas comprobadas de gas natural en el mundo .............................. 95 Figura 7: Reservas comprobadas de gas natural en Sudamérica ......................... 96 Figura 8: Distribución mundial de las reservas de carbón duro, en 1x1012 ton ..... 97 Figura 9: hidroeléctrica en Brasil............................................................................ 98 Figura 10: fuente de energía geotérmica ............................................................. 100 Figura 11: Energía nuclear en el mundo .............................................................. 101 Figura 12: procesos y cambios de estado ........................................................... 109 Figura 13: Proceso de expansión no estática en un sistema compresible ........... 112 Figura 14: El trabajo cuasiestático es el área bajo la línea de estados en el plano P-v. ...................................................................................................................... 113 Figura 15: Criterio de signos para el calor y para el trabajo ................................. 117 Figura 16: Diagrama T-v del agua, con tres isobaras (subcrítica, crítica y supercrítica) ......................................................................................................... 119 Figura 17: Diagrama de fases P-T para el agua, vapor y hielo ............................ 120 Figura 18: Esquema del diagrama T-s con indicación de varias isolíneas ........... 121 Figura 19: Esquema del diagrama h-s con indicación de varias isolíneas ........... 122 Figura 21: Dos ciclos internamente reversibles empleados para demostrar que la entropía es una propiedad ................................................................................... 127 Figura 22: Calor en procesos internamente reversibles: interpretación gráfica ... 128 Figura 23: Trabajo y calor neto intercambiados en procesos cíclicos internamente reversibles: interpretación gráfica. ....................................................................... 128 Figura 24: Variación de entropía en procesos con irreversibilidades internas. .... 129 Figura 25: Diagrama Presión Vs Volumen del ciclo idean Otto ........................... 135 Figura 26: Diagrama Presión Vs Volumen Ciclo Otto Real. ............................... 137 Figura 27: Motor de cuatro tiempos ..................................................................... 138 Figura 28: Variación de Torque, potencia de frenado y consumo específico de combustible con la velocidad del motor. .............................................................. 140 Figura 29 Comportamiento de la presión media efectiva indicada y el isfc en un motor de ignición por chispa respecto a la variación de la relación aire combustible .......................................................................................................... 142 Figura 30 Relación combustible/aire y emisiones del motor ................................ 143 Figura 31: Funcionamiento motor dos tiempos .................................................... 144 Figura 32: Comparación entre un motor diesel y motor a gasolina ...................... 145 Figura 33: Motor Diesel ........................................................................................ 146 Figura 34 Diagrama P-V Ciclo Diesel ideal. ......................................................... 147 Figura 35: Motor Wankel ...................................................................................... 149 32   

Figura 36: Diagrama P-V ..................................................................................... 151 Figura 37: Motor turborreactor de aviación .......................................................... 152 Figura 38: Motor turbina de gas para la generación de electricidad .................... 153 Figura 39: Diagramas P-V y T-S del ciclo Brayton ............................................... 154 Figura 40: Ciclo Rankine ...................................................................................... 156 Figura 41: Planta generadora de electricidad por medio de vapor de agua ......... 157 Figura 42: Turbina de vapor multietapas abierta.................................................. 158 Figura 43: Esquema motor de combustión externa ............................................. 159 Figura 44: Diagramas P-V y T-S del ciclo Stirling. ............................................... 160 Figura 45: Esquema máquina de vapor ............................................................... 161 Figura 46: Adaptación de un motor frio de combustión externa a uno convencional .............................................................................................................................162 Figura 47: Cortadores de hielo en el lago Scugog Canadá. 1815........................ 163 Figura 48: Esquema ciclo de refrigeración por compresión de vapor .................. 166 Figura 49: energía electroquímica ....................................................................... 173 Figura 50: componentes de una celda de combustible ........................................ 174 Figura 51: configuración típica de una pila de combustible ................................. 175 Figura 52: Partes de una batería plomo - acido ................................................... 183 Figura 53: partes de una batería Níquel – cadmio marca Nife ............................. 186 Figura 54: reciclaje de baterías. ........................................................................... 188 Figura 55: Evolución de las eficiencias de las celdas fotovoltaicas durante los últimos 32 años .................................................................................................... 191 Figura 56: absorción de del silicio en función de la longitud de onda .................. 193 Figura 57: respuesta espectral de la célula fotovoltaica de silicio ........................ 194 Figura 58: circuito equivalente células fotovoltaicas ............................................ 194 Figura 59: Instalación fotovoltaica aislada para autoconsumo ............................. 195 Figura 60: Componentes células solares ............................................................. 200 Figura 61: temperatura superficial del mar .......................................................... 207 Figura 62: Representación Del patrón Global de Circulación de Vientos ............ 209 Figura 63: potencia específica contra velocidad del viento .................................. 211 Figura 64: clases de rugosidad ............................................................................ 213 Figura 65: desviación del viento por los aerogeneradores .................................. 216 Figura 66: Capacidad Instalada a Nivel Mundial en MW ..................................... 217 Figura 67: Pronóstico Capacidad Total Instalada 2015- 2020 MW ...................... 218 Figura 68: Disposición Típica Dentro de la Góndola de un Aerogenerador de Eje Horizontal de Tamaño Medio con Sistemas Modulares ....................................... 221 Figura 69: Sistema de Producción de Hidrogeno con Energía Eólica.................. 225 Figura 70: Curvas de Potencia De Una Misma Turbina, Con Regulación Por Cambio de Paso y Con Regulación Por Pérdida Aerodinámica .......................... 226 Figura 71: Niveles de ruido típicos en torno a una aeroturbina convencional y su comparación con ambientes sonoros típicos ....................................................... 228 Figura 72: Velocidad Media de Superficie en el Mes de Enero ........................... 230 Figura 73: Dos turbinas del parque Eólico Jepírachi, La Guajira ......................... 234 Figura 74: Componentes y características del aerogenerador Nordex N60/1300 KW ....................................................................................................................... 236 33   

Figura 75: Central hidroeléctrica .......................................................................... 242 Figura 76: Esquema de una central hidroeléctrica ............................................... 243 Figura 77: Energía hidráulica en el mundo .......................................................... 245 Figura 78: Porcentajes de participación en la generación de electricidad en Colombia .............................................................................................................. 246 Figura 79: Aportes hídricos .................................................................................. 247 Figura 80: Reservas hídricas de los últimos meses ............................................. 247 Figura 81: Distribución reservas hídricas del sin.................................................. 248 Figura 82: Consumo de combustibles en el sector eléctrico ................................ 248 Figura 83: Proyectos Hidráulicos en Colombia .................................................... 251 Figura 84: Ubicación Hidrosogamoso .................................................................. 251 Figura 85: Proyecto Hidroeléctrico del Río Amoyá .............................................. 253 Figura 86: Esquema del Proyecto Hidroeléctrico del Río Amoyá......................... 253 Figura 87: Mapa Ubicación Proyecto Manso ....................................................... 254 Figura 88: Esquema Proyecto Manso .................................................................. 256 Figura 89: esquema sencillo de una central de agua fluyente ............................. 259 Figura 90: Turbina Pelton .................................................................................... 260 Figura 91: Turbina Francis con cámara espiral .................................................... 262 Figura 92: Turbina Kaplan de eje horizontal, tipo S ............................................. 263 Figura 93: Ábaco de selección del tipo de turbina. .............................................. 264 Figura 94: Esquema de un salto de agua. ........................................................... 265 Figura 95: Datos de precipitación anual clasificados ........................................... 266 Figura 96: Curvas de caudales medios diarios y de caudales clasificados .......... 266 Figura 97: Curva de caudales clasificados .......................................................... 267 Figura 98: Impacto ambiental que generan las represas ..................................... 269 Figura 99: Degradación del medio ambiente entorno a la represa ...................... 271 Figura 100: representación gráfica de un campo magnetohidrodinámica............ 276 Figura 101: esquema de una planta .................................................................... 278 Figura 102: tecnología magnetohidrodinámica para generar electricidad............ 279 Figura 103: Producción de combustibles líquidos a partir de fuentes diferentes al petróleo. ............................................................................................................... 298 Figura 104: Evolución del Diesel en Colombia .................................................... 299 Figura 105: Evolución de la calidad de la gasolina en Colombia ......................... 300 Figura 106: Ciclo de generación de biomasa ....................................................... 305 Figura 107: esquema de una planta a base de biomasa ..................................... 313 FIGURA 108: Comparación de producción Vs uso de biomasa .......................... 315 FIGURA 109: Producción de energía primaria con biomasa ............................... 315 Figura 110: proceso de obtención del etanol ....................................................... 323 Figura 111: Diagrama de Proceso de las Unidades de Producción de Biodiesel 325 Figura 112 Plantación de Maíz ............................................................................ 331 Figura 113. Generación de biocombustibles a partir de microalgas .................... 332 Figura 114: Estructura interna de la tierra............................................................ 341 Figura 115: Corte longitudinal terrestre................................................................ 342 Figura 116: Principales usos de la energía geotérmica en función de la temperatura.......................................................................................................... 343 34   

Figura 117: Principio de funcionamiento de un sistema geotérmico .................... 344 Figura 118: Energía solar disponible en la parte alta de la atmósfera. (MJ/m2) .. 352 Figura 119: The Earth's annual and global mean energy balance ....................... 354 Figura 120: Concentrador solar lineal de Fresnel ................................................ 357 Figura 121: Sistema de receptor central o torre solar .......................................... 358 Figura 122: Sistema de disco parabólico ............................................................ 359 Figura 123: Sistemas de canales parabólicos ..................................................... 360 Figura 124: Calentador de la cafetería de la antigua Empresa de Energía de Bogotá (EEB ........................................................................................................ 362 Figura 125: Reactores en construcción hasta septiembre del 2010 .................... 367 Figura 126: Energía de ligadura media por nucleón de los distintos elementos atómicos .............................................................................................................. 368 Figura 127: fisión nucleara la división del núcleo de un átomo ............................ 369 Figura 128: componentes de un reactor nuclear de fisión ................................... 370 Figura 129: Tipos reactores en operación ........................................................... 372 Figura 130: Análisis de sistemas del ciclo del combustible nuclear ..................... 374 Figura 131: Fusión nuclear .................................................................................. 376 Figura 132: Países que utilizan mayor cantidad de energía nuclear.................... 377 Figura 133: Reactor de fusión ITER..................................................................... 381 Figura 134: Participación de los socios del ITER. ................................................ 382 Figura 135: Isótopos del hidrógeno...................................................................... 384 Figura 136: Fisión nuclear. .................................................................................. 385 Figura 137: Fusión nuclear. ................................................................................. 386 Figura 138: Fusión nuclear .................................................................................. 388 Figura 139: Ubicación del reactor ITER. .............................................................. 390 Figura 140: Cuartel general para la contribución europea al proyecto ITER. ...... 391 Figura 141: Distribución gráfica de la energía generada ..................................... 396 Figura 142: Evolución de la eficiencia en la generación eléctrica. ....................... 397 Figura 143: Precalentamiento de aire por medio de recuperadores de calor residual ................................................................................................................ 400 Figura 144: parámetros geométricos de un regerador “hoenycomb” ................... 401 Figura 145: Funcionamiento e instalación de una rueda de calor. ....................... 402 Figura 146: Eutrofización en el lago Taihu, el tercero más grande de China ....... 404 Figura 147: Central nuclear de Saint Laurent Nouan, departamento de Loir et Cher, Francia ....................................................................................................... 405 Figura 148: Esquema condensador planta térmica.............................................. 406 Figura 149: Esquema dispositivo de microcogeneración doméstica.................... 409 Figura 150: Unidad de micro-cogeneración doméstica. ....................................... 410 Figura 151: Diagrama de bloque simplificado de un paquete TEG ..................... 411 Figura 152: Suministro Convencional de Energía ................................................ 412 Figura 153: Suministro Mediante Cogeneración .................................................. 413 Figura 154: Ejemplo Sistemas superiores (Topping Cycles) ............................... 414 Figura 155: Ejemplo Sistemas inferiores (Bottoming Cycles) .............................. 415 Figura 156: Cogeneración con turbina de vapor .................................................. 416 Figura 157: Cogeneración con turbina de gas ..................................................... 417 35   

Figura 158: Cogeneración con ciclo combinado. ................................................. 418 Figura 159: Cogeneración con motor alternativo ................................................. 419 Figura 160: Potencial de Cogeneración Estimado. .............................................. 420 Figura 161: Potencial de Cogeneración Estimado para mejorar los procesos de Generación de Potencia. ..................................................................................... 421 Figura 162: Eficiencia – Tiempo de Vida Tecnologías de Almacenamiento ........ 429 Figura 163: Clasificación sistemas de almacenamiento según su tiempo de descarga .............................................................................................................. 431 Tabla 44: Comparativa Tecnologías de Almacenamiento .................................... 431 Figura 164: Funcionamiento hidroelectricidad ..................................................... 432 Figura 165: GWh de energía en una cabeza dada por acre- pie (43.560 pies cúbicos) de H2O (78% Eff) .................................................................................. 434 Figura 166: CAES-GT planta Huntorf Alemania................................................... 436 Figura 167: Compresor de aire de almacenamiento de energía .......................... 437 Figura 168: Compresor de aire de almacenamiento de energía adiabático avanzado. No usa combustible - No emisión de CO2.......................................... 438 Figuta 169: Tecnología Inteligente del Volante de Inercia ................................... 439 Figura 170: Proyecto Beacon Power Planta eléctrica de 20MW con volantes de inercia Stephentown-New York Fuente: Beacon Power ...................................... 440 Figura 171: Planta de Almacenamiento de Energía de Baterías Plomo-Acido en Chino, California .................................................................................................. 442 Figura 172: Bancos de Baterías Ni-Cd del proyecto BESS Fairbanks, Alaska, EE.UU. .................................................................................................... 443 Figura173: Descarga de la Batería NaS .............................................................. 445 Figura 174: Célula de baterías NaS ..................................................................... 446 Figura 175: Tanques para almacenamiento de Electrolito, de la batería VRB (Vanadium Redox Battery) ................................................................................... 448 Figura 176: Superconductor magnético ............................................................... 451 Figura 177: Condensador de doble capa - 0.055 ................................................. 453 Figura 178: Tipos de Concentradores.................................................................. 454 Figura 179: Sistema de Almacenamiento a través de.......................................... 455 Figura 180: Campo Solar, Almacenamiento de Energía por ................................ 455 Figura 181: Torre termosolar con Almacenamiento de Energía con vapor .......... 456 Figura 182: Bancos de Hielo, Fabricados por CALMAC ...................................... 457 Figura 183: Ineficiencia energética en China ....................................................... 462 Figura 184: Evolución del consumo final de energía en el mundo ....................... 462 Figura 185: Edificio Verde de la Cámara de Comercio de Bogotá ....................... 467 Figura 186: Campaña publicitaria URE Colombia 2010...................................... 470 Figura 187: Oferta de servicios de Gerenciamiento de una empresa del sector . 472 Figura 188: Fase de diagnóstico programas URE ............................................... 475 Figura 189: Actual and projected GHG Emissions for New Passenger by country. .............................................................................................................................479 Figura 190: Cálculo del equilibrio anual y mundial de energía ............................. 488 Figura 191: Concentraciones de gases efecto invernadero del año 0 a 2005 ..... 491 Figura 192: Tendencias de dióxido de carbono atmosférico ................................ 492 36   

Figura 193: Nivel Medio Global del Nivel del Mar ................................................ 497 Figura 194: Disminución en el permafrost ........................................................... 498 Figura 195: Forzamiento radiactivo del clima entre 1750 y 2005 ......................... 500 Figura 196: Emisiones de Gases Efecto Invernadero: Dióxido de Carbono (CO2)1990, 1994, 2000 y 2004............................................................................ 504 Figura 197: Emisiones de Gases Efecto Invernadero: Metano (CH4) 1990, 1994, 2000 y 2004 ......................................................................................................... 505 Figura 198: Emisiones de Gases Efecto Invernadero: Óxido Nitroso (N2O) 1990, 1994, 2000 y 2004 ............................................................................................... 507 Figura 199: Caricatura ola invernal Colombiana .................................................. 510 Figura 200: Nubosidad en la base de la cordillera occidental (Colombia) ........... 511 Figura 201: Fenómeno de islas de calor urbano ................................................. 513 Figura 202: Microclima generado por emisiones de planta nuclear en España ... 515 Figura 203: Gases contaminates del escape de un Vehículo .............................. 516 Figura 204: Producción de GHG últimas décadas ............................................... 518 Figura 205: Smog en Bogotá ............................................................................... 519 Figura 206: Mapa mundial distribución PM .......................................................... 520 Figura 207: Atmosfera terrestre ........................................................................... 522 Figura 208: Contaminación atmosférica .............................................................. 527 Figura 209: Inversión térmica............................................................................... 531 Figura 210: Inversiones térmicas a altas y bajas temperaturas ........................... 532 Figura 211: Contaminación producida por el tráfico............................................. 535 Figura 212: Capa de Ozono. ................................................................................ 537 Figura 213: Tipos de Ozono ................................................................................ 539 Figura 214: Penetración de las radiaciones ......................................................... 547 Figura 215: Efecto fotoeléctrico ........................................................................... 550 Figura 216: Dispersión Compton ......................................................................... 550 Figura 217: Formación de Pares.......................................................................... 551 Figura 218:Importancia relativa de los tres tipos de interacciones principales de la radiación electromagnética con la materia ........................................................... 553 Figura 219: Espectro de ondas electromagnéticas .............................................. 560 Figura 220: Campos electromagnéticos de electrodomésticos habituales .......... 561 Figura 221: Energía y Desarrollo Sostenible una Agenda en Evolución .............. 578 Figura 222. Energía y Desarrollo sostenible: Vínculos Profundos ....................... 579 Figura223: Desarrollo sostenible: un concepto ambiguo ..................................... 580 Figura 224: Relación Internacional entre Uso de la Energía (mil millones de toneladas de petróleo equivalente) y PIB (producto interno bruto US millones de dólares). ............................................................................................................... 587 Figura 225: La relación internacional entre el consumo de energía (1000 millones de toneladas equivalentes de petróleo) y el PIBM (millones de dólares de los EE.UU., 1998) ...................................................................................................... 588 Figura 226: Relación Internacional Entre el Consumo de Energía (kilogramos equivalentes de petróleo per cápita, 1997) y el IDH (2000) ................................. 589 Figura 227: Evolución del Tema Ambiental en la Gestión de las Organizaciones Empresariales ...................................................................................................... 591 37   

Figura 228: Necesidades humanas y desarrollo sostenible ................................. 593 Figura 229: Ética ambiental ................................................................................. 598 Figura 230: Eco-profesionales ............................................................................. 599

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LISTA DE ANEXOS

ANEXO A. PROYECTO DE APLICACIÓN DESARROLLO DEL DISEÑO ENERGÉTICO Y RECOLECCIÓN DE AGUAS PLUVIALES ............................... 617

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RESUMEN TITULO: SEMINARIO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍA, MEDIO AMBIENTE Y DESARROLLO SOSTENIBLE∗

AUTORES:

CASTRO MALAVER Edwin MELO CÁCERES Holman Germán MARTÍNEZ GUÍO Leonardo Javier BELTRÁN PEÑUELA Nelson Augusto BONILLA PATARROYO Fabián Alberto∗∗

PALABRAS CLAVES: Seminario, energía, medio ambiente, desarrollo sostenible, transformación, termodinámica, calor, ingeniería, economía, contaminación.

DESCRIPCIÓN La situación global energética actual contempla una gran problemática ambiental. Nuestro modelo de vida supone un gasto de recursos naturales y de energía desmesurada e insostenible. La generación de esta energía útil es una de las actividades de mayor impacto en el planeta, así como la quema de combustibles fósiles impulsada por el transporte y diversas ramas de la industria. La naturaleza del problema energético no es sencilla, tiene muchos matices que van desde lo estrictamente ambiental hasta lo económico y lo político; la creciente tasa de consumo de energía lleva consigo un aumento en la quema de combustibles fósiles y producción de gases de invernadero, además, los sistemas de generación de energía no han alcanzado altos niveles de eficiencia agravando así el problema. Todo esto provoca un inevitable cambio climático global. La investigación de este seminario comienza con la identificación del problema de nuestro creciente gasto de energía y el medio ambiente; continúa con una revisión a los recursos energéticos con lo que contamos en el planeta; mas adelante, entrando en el ámbito de la ingeniería, se estudian los diferentes procesos de conversión de la energía; en seguida, se trata el tema de generación y gestión del calor. Luego, el paso a seguir, es el estudio del uso de la energía y finalmente, la degradación que el medio ambiente ha sufrido gracias a toda esta explotación energética. Este seminario de investigación ubica al estudiante de ingeniería en el contexto energético y ambiental global, para luego aterrizarlo en la situación colombiana en cuanto a recursos, producción y consumo de energía. Con este trabajo de investigación, la escuela de ingeniería mecánica busca estar a la vanguardia en producción de conocimiento científico y abrir el camino para ser una fuente fiable de información en el campo energético al servicio de todos.

                                                             ∗

Proyecto de grado Facultad de Ingenierías Físico-mecánicas. Escuela de Ingeniería Mecánica. Director. Ing. Jorge Luis Chacón Velasco 

∗∗

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SUMMARY TITULO: SEMINAR OF RESEARCH IN ENERGY, ENVIRONMENT AND SUSTAINABLE DEVELOPMENT∗

AUTORES:

CASTRO MALAVER Edwin MELO CÁCERES Holman Germán MARTÍNEZ GUÍO Leonardo Javier BELTRÁN PEÑUELA Nelson Augusto BONILLA PATARROYO Fabián Alberto∗∗

KEYWORDS: Seminar, energy, environment, thermodynamics, heat engineering, economics.

sustainable

development,

transformation,

DESCRIPCIÓN The current global energy situation covers a broad environmental issue. Our way of life is a waste of energy and natural resources disproportionate and unsustainable. The generation of this useful energy is one of the activities of greater impact on the planet, and the burning of fossil fuel driven transport and various branches of industry. The nature of the energy problem is not simple, has many shades ranging from strictly environmental to the economic and the political, the increasing rate of energy consumption results in an increase in the burning of fossil fuels and greenhouse gas production as well, the power generation systems have not achieved high levels of efficiency, thus aggravating the problem. All this leads to an inevitable global climate change. The investigation of this seminar begins with identifying the problem of our growing energy consumption and the environment continues with a review of energy resources with what we have on the planet below, entering the field of engineering is studying the different processes of energy conversion, then, is the subject of generation and heat management. Then, the next step is the study of energy use and finally, the environmental degradation that has suffered through all this energy exploitation. This research seminar places the student of engineering in the global energy and environmental context, then land on the situation in Colombia in terms of resources, production and energy consumption. With this research, the School of Mechanical Engineering seeks to be at the forefront of scientific knowledge production and open the way to be a reliable source of information in the energy field to serve students and professionals from around the country.

                                                             ∗

Degree work Physicomechanical Faculty of Engineering. School of Mechanical Engineering. Director Jorge Luis Chacon Velasco 

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SECCIÓN 1

SEMINARIO DE INVESTIGACIÓN

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SECCIÓN 1 SEMINARIO DE INVESTIGACIÓN

1. GENERALIDADES DEL SEMINARIO INVESTIGATIVO 1.1 DEFINICIÓN DE SEMINARIO DE INVESTIGACIÓN O SEMINARIO ALEMÁN 1.2 OBJETIVOS DE UN SEMINARIO DE INVESTIGACIÓN 1.3 VENTAJAS DEL SEMINARIO INVESTIGATIVO 1.4 CARACTERÍSTICAS 1.5 ORGANIZACIÓN DEL SEMINARIO INVESTIGATIVO 1.5.1 Tema del seminario investigativo 1.5.2 Dirección del seminario de investigación 1.5.3 Desempeño de los roles Relatoría Correlatoría Discusión Protocolo 1.6 METODOLOGÍA 2. PLANEACIÓN 2.1 SELECCIÓN DEL TEMA 2.2 ESTUDIO BIBLIOGRÁFICO 2.3 SELECCIÓN DE LOS SUBTEMAS 2.4 DESCRIPCIÓN DE LOS SUBTEMAS 2.5 PLANIFICACIÓN DE LAS SESIONES 3. EJECUCIÓN 1.1 DOCUMENTACIÓN PARA EL SUBTEMA 1.2 DESARROLLO DE UNA SESIÓN 1.3 ACTAS

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INTRODUCCIÓN Muchas son las preocupaciones que por su propio bien deben estar en la mente del hombre de estos tiempos; problemas sociales de gran magnitud son el pan de cada día y por su naturaleza no están solos, dificultades económicas y crisis generalizadas sacuden los mercados mundiales y ponen cada vez en más aprietos a los estados, incluso los que se creían seguros, todo esto además de una gran ambiental seriamente relacionada con el consumo de energía en cualquiera de sus formas. La situación global energética actual contempla una gran problemática ambiental. Nuestro modelo de vida supone un gasto de recursos naturales y de energía desmesurado e insostenible. La generación de esta energía útil es una de las actividades de mayor impacto en el planeta, así como la quema de combustibles fósiles impulsada por el transporte y diversas ramas de la industria. La naturaleza del problema energético no es sencilla, tiene muchos matices que van desde lo estrictamente ambiental hasta lo económico y lo político; la creciente tasa de consumo de energía lleva consigo un aumento en la quema de combustibles fósiles y producción de gases de invernadero, además, los sistemas de generación de energía no han alcanzado altos niveles de eficiencia agravando así el problema. Todo esto provoca un inevitable cambio climático global. Con esto en mente, el grupo GIEMA de la Escuela de Ingeniería Mecánica de la Universidad Industrial de Santander decidió abordar esta problemática mediante un seminario de investigación, “Seminario de investigación en energía, medio ambiente y desarrollo sostenible”.

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1. GENERALIDADES DEL SEMINARIO INVESTIGATIVO1

1.1 DEFINICIÓN DE SEMINARIO DE INVESTIGACIÓN O SEMINARIO ALEMÁN El Seminario de Investigación, también conocido como Seminario Alemán, es una actividad académica cuyo origen se dio a finales del siglo XVlll en la Universidad de GOTTINGEN de Alemania, para renovar las estrategias de estudio y formación de los investigadores, además para demostrar que la docencia y la investigación se pueden unir y complementar para obtener mejores resultados. El advenimiento del nuevo orden capitalista en el siglo XVIII, que tiene unos antecedentes históricos en la revolución de las ciencias (matemáticas, física, química, biología) de los siglos XVIII y XVIII, simbolizadas en el famoso “giro copernicano”, genera las condiciones para una nueva racionalidad fundada en la fidelidad a los hechos y en la lógica experimental demostrativa, mostrando, de paso, que la obra científica y técnica no es tarea de enciclopedistas ni de eruditos aislados. Se evidencia una perspectiva, propia de la producción y ciencia contemporáneas, de que el saber y la cultura son dominios sociales, cuya creación original e innovación permanente es fruto de la acción consciente de grupos y colectivos científicos y tecnológicos altamente especializados2. Consiste en estudiar, discutir e intercambiar experiencias acerca de un tema en particular, en un grupo, en el cual sus participantes se intercomunican exponiendo dicho tema (la Relatoría) complementándolo, evaluándolo (Correlatoría), aportando entre todos (la Discusión), sacando conclusiones y planteando nuevos interrogantes lo que permite que todo ello quede en la memoria escrita (el protocolo). El Seminario de Investigación se programa por subtemas, estos son seleccionados con la orientación del director del seminario, quien con su experiencia y conocimiento del tema central, guía la selección con la debida pertinencia, actualidad y ubicación en el contexto. Los temas son desarrollados en sesiones planificadas, en las cuales los miembros del grupo deben asumir diferentes roles de acuerdo con la descripción anterior y mantener una relación de interés y compromiso con el conocimiento sin jerarquías en un clima de colaboración y participación activa.

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Universidad Industrial de Santander. Lineamientos para el seminario de investigación como modalidad para  el desarrollo del trabajo de grado. Vicerrectoría académica. Septiembre de 2007  2 Universidad de Valencia España, seminario de investigación, http://www.uv.es/eees/archivos/sem_inves 

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1.2 OBJETIVOS DE UN SEMINARIO DE INVESTIGACIÓN3 Formar a los participantes para la investigación científica mediante el desarrollo de habilidades específicas aplicadas al asumir los diferentes roles dentro del seminario. Dichas habilidades están orientadas a desarrollar la capacidad de lector crítico de resultados de investigación en cualquiera de las áreas del conocimiento, a fortalecer la capacidad de observar e identificar los problemas presentes en tópicos bajo análisis, a buscar respuestas a preguntas claves y sustentarlas teórica y metodológicamente en forma verbal y por escrito, y a identificar las relaciones del problema objeto de estudio con el contexto económico, político o social, a fin de enriquecer con una mirada de integralidad, el conocimiento para el grupo de estudiantes. Para ello se programan y ejecutan ejercicios estructurados que permiten a los estudiantes, desarrollar competencias iníciales de investigador, avanzar en el conocimiento y aportar buenas revisiones y análisis sobre tópicos que pueden facilitar el desarrollo de la investigación. Para alcanzar dicho objetivo es preciso que haya una formación desde el trabajo personal hacia el trabajo en equipo; para esto, cada participante debe reconocer sus intereses, estilos de aprendizaje, su capacidad para aprender en interacción con pares; debe apropiarse de la metodología e instrumentos con los cuales trabajará, con el fin de lograr, al interactuar con los demás miembros del grupo en las sesiones del seminario, compartir, criticar y corregir las ideas que surjan de él, en un ambiente de la colaboración mutua. Los seminarios de investigación, no se enfocan hacia la repetición de trabajos ya realizados, sino hacia la búsqueda de respuestas con nuevos argumentos; por tal razón los trabajos que se deriven del cumplimiento del objetivo del Seminario, deben caracterizarse por su originalidad y estar acordes al nivel científico de formación de sus participantes. El investigador no se forma con el solo conocimiento teórico de la metodología, que puede aprenderse en un día, sino con el contacto continuo con las fuentes, en el que; bajo la conducción del profesor, aplica él mismo los métodos de comprensión y repite mentalmente el proceso del pensar filosófico. Sólo este contacto repetido, frecuente, lento, en que al mismo tiempo se van señalando los errores y falsos caminos permite que el método sea no sólo conocido sino también asimilado, convertido en hábito. Cuando esto sucede, el                                                              3

Universidad Industrial de Santander. Lineamientos para el seminario de investigación como modalidad para  el desarrollo del trabajo de grado. Vicerrectoría académica. Septiembre de 2007 

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estudiante ha adquirido la capacidad para investigar por sí mismo, sin necesidad de guía4. 1.3 VENTAJAS DEL SEMINARIO INVESTIGATIVO5 El seminario de investigación, como herramienta para el desarrollo integral, presenta las siguientes ventajas: • Permite a los participantes contar con un director (profesor) durante el seminario, el cual les guía hacia la consecución de los propósitos establecidos, y además, resuelve las dudas e inquietudes o en su defecto, orienta sobre las fuentes de consulta y ayuda a los miembros del grupo en la búsqueda para suplir las necesidades de información. • Fortalece el hábito de documentarse acerca del tema bajo estudio. Para esto los participantes recurren a fuentes bibliográficas, bases de datos, textos de referencia obligada; este ejercicio refuerza el desarrollo de las competencias interpretativas, argumentativas y propositivas; les permite apropiarse y aprender de los métodos que emplearon los autores de los artículos y textos, así como también, reconocer su valor y aporte a la investigación. • Permite que los participantes desempeñen diferentes roles dentro del grupo, desarrollando habilidades comunicativas y de relaciones interpersonales, complementarias para la formación tanto personal como profesional. • Fomenta el aprendizaje como una experiencia grupal, permite experimentar la eficiencia del trabajo en equipo y si el grupo está conformado con estudiantes de diferentes áreas del conocimiento, la riqueza de la interdisciplinariedad, características todas aplicables y necesarias en el desempeño laboral del mundo de hoy. • Permite el uso de distintas herramientas didácticas de apoyo al desarrollo de las sesiones, así como un control sobre la planificación establecida de éstas. • Es una metodología integradora centrada en el estudiante, con amplio potencial para fortalecer la habilidad de aprender a aprender, fundamental para tomar el perfil del ciudadano del siglo XXI, quien deberá asumir el compromiso de aprender a lo largo de la vida, como la plantea J. Delors3. Sus ventajas la hacen                                                              4

 Programa de Desarrollo Pedagógico Docente, con base en el artículo 14 de la Ley Andina y en el artículo 32  de la Ley Nacional de Derechos de Autor.Medellín, 2006  5 Universidad Industrial de Santander. Lineamientos para el seminario de investigación como modalidad para  el desarrollo del trabajo de grado. Vicerrectoría académica. Septiembre de 2007   

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aplicable a todas las áreas del conocimiento humano y no solo a algunas como equivocadamente pudiera pensarse. • El seminario tiene la gran ventaja de que es un instrumento aplicable a todas las áreas del conocimiento humano y no sólo algunas como equivocadamente pudiera pensarse. Así se impide por ejemplo que la facultad de Derecho se convierta en simple estudio de procedimientos y se tendrán no abogados sino juristas y que la medicina se reduzca a la clínica hospitalaria y se tendrán también no solo médicos sino científicos de la medicina6. 1.4 CARACTERÍSTICAS7 El seminario de investigación posee las siguientes características: • Participación activa de todos los miembros del seminario, puesto que no solo el director (profesor) interviene, sino también todos los integrantes del grupo realizan su aporte desde el rol que estén desempeñando. En este proceso los participantes siendo discípulos empiezan a recorrer el camino hacia Maestros. • El Seminario de Investigación está conformado por un grupo reducido, de aprendizaje activo y cooperativo, inducido a investigar, reflexionar, descubrir y concluir. • Empleo del dialogo permanente para compartir los conocimientos adquiridos. • Ambiente amable y cooperativo fomentando la mayor participación de los integrantes del grupo. • Sesiones aprendizaje.

desarrolladas

utilizando

medios

didácticos

de

apoyo

al

• La estructura del seminario y todas las actividades y parámetros para desarrollarlas, son planificados en la primera sesión. • El seminario de investigación exige a los participantes una alta responsabilidad para lograr la preparación adecuada, que les permita tener bases para llevarlo a cabo.

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Programa de Desarrollo Pedagógico Docente, con base en el artículo 14 de la Ley Andina y en el artículo 32  de la Ley Nacional de Derechos de Autor. Medellín, 2006  7 Universidad Industrial de Santander. Lineamientos para el seminario de investigación como modalidad para  el desarrollo del trabajo de grado. Vicerrectoría académica. Septiembre de 2007 

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1.5 ORGANIZACIÓN DEL SEMINARIO INVESTIGATIVO. El Seminario de Investigación se compone de las siguientes actividades: la Relatoría, la Correlatoría, la Discusión y el Protocolo, las cuales deben girar en torno a un tema, del que se desprenden los subtemas a tratar durante las sesiones. Dichas actividades son responsabilidad de los integrantes del grupo, por lo cual a cada uno de ellos es asignado un rol, de carácter rotativo; es así como una persona que en una sesión asume el rol de correlator, en la siguiente puede ser el protocolante, es decir el responsable del protocolo. La organización del seminario también implica establecer el lugar del seminario, el número de sesiones y las fechas para realizarlas, así como la duración de cada una de las actividades (Relatoría, Correlatoría, Discusión y Protocolo)8. Por lo general los Seminarios están tan bien organizados en cuanto a suficiente y oportuna información escritas con temas, resumen de lo que se pretende, literatura principal y secundaria, fecha, duración, lugar, requisitos de admisión, etc.; así como a la seriedad y el cumplimiento cabal en su ejecución, que revisten todo un carácter de rigurosidad que imprime su sello inconfundible a la Universidad Alemana9.El seminario de investigación en Energía Medio Ambiente y Desarrollo Sostenible se organizó y se realizó por: Director de proyecto: Ing. JORGE LUIS CHACÓN VELASCO. Participantes: • • • • •

LEONARDO JAVIER MARTÍNEZ GUÍO NELSON AUGUSTO BELTRÁN PEÑUELA HOLMAN GERMÁN MELO CÁCERES EDWIN CASTRO MALAVER FABIÁN ALBERTO BONILLA PATARROYO

A los cuales se les asigna un rol para cada sesión. Las sesiones se llevan a cabo en la Escuela de Ingeniería Mecánica en el salón de clase 205, se invitó al público de estudiantes y de profesores de ingeniería mecánica. El número de sesiones depende del tema y los subtemas mostrados en la Tabla 1.Las sesiones están programadas para una duración de 2 horas.

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1.5.1 Tema del seminario investigativo. La elección correcta del tema del seminario asegura en buena parte el progreso y éxito del mismo. Supone seleccionar temas que correspondan a la preparación y motivación del grupo. Por tal razón, se requiere un proceso de acuerdo bien concertado (investigadores, estudiantes e instituciones) que garantice una voluntad colectiva de acción y una productiva participación de cada seminarista en el grupo. Elegido el tema, el conjunto de roles y actividades a realizar en el seminario se concentran en la dinámica del tema. Es decir, el director, el relator, el correlator, el discursante y el protocolante giran en torno al tema, aportando desde sus roles y acciones cognitivas y valorativas a la común tarea de describir, explicar y comprender un objeto-proceso de estudio. Siendo el tema el eje central sobre el cual opera el trabajo grupal, en ocasiones, por la complejidad del objeto de estudio, por la necesidad de mayor profundidad analítica, éste podrá subdividirse en subtemas o problemas específicos que deben ser preparados por cada seminarista para una activa participación en las sesiones correspondientes10. El tema de este seminario de investigación lo sugirió el director del proyecto gracias a su importancia actual, la creación de una nueva materia para su estudio en un programa de pregrado y postgrado, y para ayudar a fomentar y fortalecer las líneas de investigación del grupo GIEMA y del área estratégica de I+D+I (investigación, desarrollo e innovación) en energía, propuesta dentro del plan de desarrollo institucional de la Universidad Industrial de Santander. El tema tratado en este seminario de investigación es “Energía Medio Ambiente y Desarrollo Sostenible”. La situación global energética actual contempla una gran problemática ambiental. Nuestro modelo de vida supone un gasto de recursos naturales y de energía desmesurada e insostenible. La generación de esta energía útil es una de las actividades de mayor impacto en el planeta, así como la quema de combustibles fósiles impulsada por el transporte, y diversas ramas de la industria. La naturaleza del problema energético no es sencilla, tiene muchos matices que van desde lo estrictamente ambiental hasta lo económico, social y lo político; la creciente tasa de consumo de energía lleva consigo un aumento en la quema de combustibles fósiles y producción de gases de invernadero, además, los sistemas de generación de energía no han alcanzado altos niveles de eficiencia agravando así el problema. Todo esto provoca un inevitable cambio climático global. A partir de la expedición de la Ley 99 de 1993 y de la consecuente creación del SINA (sistema nacional ambiental), y a falta de una política general de Estado de largo plazo en materia ambiental, cada uno de los gobiernos del país ha expedido una política ambiental propia, en la cual se definen sus prioridades para el período de gobierno respectivo.                                                              10

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Adicionalmente, para tomar decisiones acertadas el país carece de estándares ambientales, como en el caso de la imposición de tasas retributivas. La nueva institucionalidad propició la incorporación de la dimensión ambiental en los planes de desarrollo del país. Se considera que el “desarrollo sostenible” es el principio básico de la política ambiental colombiana (artículo 1, inciso 1 de la Ley 99). Se parte del concepto de desarrollo sostenible, y dentro de él, se consideran cuatro aspectos: la búsqueda de la eficiencia económica para hacer un uso menos intensivo de los recursos, el mejoramiento de la calidad de vida de la actual generación, la equidad intra e intergeneracional y la protección del medio ambiente. Este seminario de investigación ubica al estudiante de ingeniería en el contexto energético y ambiental global, para luego aterrizarlo en la situación colombiana en cuanto a recursos, producción y consumo de energía. 1.5.2 Dirección del seminario de investigación11 La dirección del Seminario de Investigación está a cargo de un profesor el cual debe poseer experiencia y conocimiento del tema que se vaya a tratar durante el seminario. Su principal función es orientar a los participantes en su investigación, para ello, les brinda la asesoría que requieran para encaminar sus trabajos y tareas hacia el cumplimiento de lo programado. El profesor (director) es un líder con capacidad para motivar al grupo hacia la intervención activa desde la apropiación de los roles que se vayan asumiendo, mostrando que ésta es fundamental para enriquecer el desarrollo del seminario. El profesor que ejerce como director vela por mantener la cohesión del grupo y un adecuado ambiente de trabajo, e interviene durante las sesiones corrigiendo y complementando las opiniones de los participantes, propiciando el debate en el cual los miembros del grupo puedan mostrarse como personas con poder de decisión, así como con capacidad para la expresión oral, la argumentación y la participación crítica durante el seminario. Las cualidades del profesor se enfocan hacia el liderazgo y no al autoritarismo, puesto que limitaría la creatividad de los participantes; de igual manera no debe ser paternalista, pues crearía en los participantes dependencia e inmadurez. Además, el seminario de investigación propuesto también puede ser dirigido por otros profesores del grupo o un experto invitado.

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Tabla 1: Formación académica director del proyecto FORMACIÓN ACADÉMICA

INSTITUCIÓN Y ÁREA

Doctorado

Universidad Politécnica de Valencia Procesos Termofluidodinámicos Aplicados a MCIA de1998 - de 2001 Diagnóstico de fallos mediante información incompleta e incierta. Aplicación a Motores Diesel

Maestría

Pregrado universitario

Université de Haute Alsace DEA- Informatique et Automatique Industrielle de1997 - de 1998 Identification du Moteur Diesel Instituto Politécnico de Bielorrusia Ingeniería Mecánica Especialidad en Automóviles de1980 - de 1985 Diseño de una suspensión hidroneumática para un automóvil Belaz de 40 T.

Fuente: Director del proyecto, Ing. JORGE LUIS CHACÓN VELASCO La dirección del seminario de investigación en Energía, Medio Ambiente y Desarrollo Sostenible estuvo a cargo del profesor Ing. JORGE LUIS CHACÓN VELASCO, quien cuenta con la formación mostrada en la tabla 1. 1.5.2 Desempeño de los roles12 Relatoría La relatoría o relación es el procesamiento a través del cual el relator expone el tema correspondiente en la sesión del seminario. El relator tiene como misión principal enriquecer, como resultado de su investigación y estudio, el saber de los demás, buscando por medio de una argumentación rigurosa aportar algo nuevo que permita avanzar en el conocimiento sobre el objeto de estudio. En particular, debe propiciar rutas cognoscitivas que conecten o articulen con otros saberes o dominios disciplinares, en la búsqueda de visiones holísticas que permitan, más que explicaciones parciales, comprensiones globales del tema, tarea que, obviamente, no es exclusiva de un participante sino labor constructiva de todo el grupo. Sin embargo, siempre el grupo espera aprender de cada relator y, con ello, elevar su nivel de conocimiento sobre el tema de estudio. Para cumplir esta misión cada relator posee plena libertad para organizar su material argumental con el propósito de convencer al colectivo del seminario. Para ello puede utilizar, en términos didácticos, asociaciones, relaciones, ejemplos y pruebas lógicas o experimentales;                                                              12

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en otros casos; exponer el tema desde una contextualización histórica hasta las diversas teorías y concepciones explicativas, según resultados, conclusiones o avances del proceso de investigación que el relator viene realizando. En este caso, el relator presenta cada uno de los pasos que ha seguido en la investigación, así como las dificultades, críticas y proyecciones posibles del trabajo investigativo. El grupo del seminario, para el efecto, aporta sus diversos puntos de vista y simula el procedimiento que habría seguido en lugar del relator. En otro caso, sobre todo en los inicios de un proceso de investigación, el relator se circunscribe a dar razón crítica de las fuentes o referentes bibliográficos que ha estudiado. Desde esta perspectiva analítica comunica el estado actual de su trabajo. Por su parte, los participantes del seminario preguntan, complementan y aportan sus conocimientos, con vistas a hacer progresar la investigación. En una situación más restringida que la anterior, pero no menos importante, el relator se limita a informar sobre una obra o autor relevante para un proceso de investigación o estudio, las tesis o resultados principales de la obra, el aporte que contiene, la utilización o validez para el tema del seminario. En otra función posible de la relatoría, propia de las comunidades científicas desarrolladas, el relator propone una situación problemática o una confrontación de resultados para motivar un debate. De esta manera el relator comunica diversos intentos de solución o explicación, presenta argumentos y contraargumentos y los somete en conjunto a discusión. A través de la relatoría, el participante (alumno, docente, especialista) se proyecta en tres dominios cognitivo-valorativos: • Se entrena para identificar, seleccionar y organizar materiales, textos y contenidos que deben ser adecuadamente presentados. • Se entrena para ser un buen expositor, saber expresarse y argumentar en público. • Despliega su autonomía intelectual al desarrollar sus propias conclusiones, someterse a la crítica y al juicio colectivo, lo que genera madurez psíquica e intelectual para su vida académica, profesional y personal. Correlatoría La función central del correlator es complementar y, en lo posible, enriquecer la relatoría; considerando que un tema nunca se agota (más cuando se trata de un tema investigativo), el correlator debe concentrar toda su atención en la exposición del relator, con vistas a hacer sus propios aportes de acuerdo, así como los desacuerdos o puntos críticos que motiven o sirvan de base para la discusión y evaluación de la relatoría. De igual manera, el correlator debe destacar los aportes

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más relevantes de la relatoría y complementarlos para contribuir al debate general del grupo. • El estudiante o participante del seminario se ejercita en la compleja acción de saber escuchar, de potenciar las habilidades de concentración, desarrollando las capacidades valorativa y crítica. • Se ejercita la capacidad de evaluar, mediante la apreciación y valoración del dominio argumental del tema, de la claridad de la exposición. La capacidad de motivar y convencer al grupo, de encontrar errores, aciertos y elementos nuevos y productivos que descubran horizontes de desarrollo y crecimiento humanos. Discusión La discusión es el espacio intelectual donde los participantes realizan la función de confrontación de sus concepciones y dominios de experiencia sobre el tema del seminario con las otras “visiones” y argumentaciones que poseen los integrantes del grupo. En el espacio del debate, la confrontación asume un carácter positivo, en tanto permite demostrar el aporte personal al grupo, como el enriquecimiento del dominio experimental propio, con las otras concepciones y contribuciones de los demás miembros del seminario. En esta perspectiva, la validez del saber elaborado y discutido por el grupo es consecuencia y resultado de la concertación en la dinámica misma del grupo. De esa forma, no se asumen verdades definitivas ni absolutas, sino aproximaciones pertinentes a la temática en estudio, donde cada participante aporta de su subjetividad o dominio experiencial el saber sobre el tema; luego, por vía intersubjetiva de acuerdos sucesivos de los distintos dominios de experiencia, se avanza en síntesis explicativas o comprensivas sobre el tema de investigación, incluyendo, por supuesto, aquellos nodos o “agujeros negros” que dejan insuficientemente explicados o parcialmente convenidos. De esta manera nos aproximamos a una supuesta “verdad objetiva” que es posible sólo a través de la comunicación productiva de las distintas “subjetividades”. La discusión en el seminario investigativo sigue la lógica de los principios kantianos, aplicada al acto y proceso pedagógico: • • •

Aprender a pensar por sí mismo. Pensar en el lugar del otro. Obrar con autenticidad.

La discusión es un momento culminante del seminario. En el debate es donde se pone a prueba la preparación y la contribución personal al grupo. Así mismo, la

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discusión es el espacio del diálogo y la confrontación de ideas, dominios de experiencias y prácticas investigativas. Es el auténtico momento de se materializa el trabajo grupo, que significa: “todos ponen y siembran y todos recogen y cosechan”. De esta manera, todos estarán en la condición de analizar, enriquecer y evaluar el trabajo, tanto del relator como del correlator. Por momentos, la discusión asume la forma de un diálogo abierto, cuyo propósito es esclarecer distintos puntos de vista o aportar rutas o soluciones a problemas planteados. En este sentido, la discusión es un escenario democrático que enseña la participación libre de todos en la resolución de preguntas o cuestiones relevantes sobre el tema del seminario. En este sentido, el seminario investigativo es el espacio de interacción humana, por excelencia formativo, de los valores de la convivencia, cuyo aprendizaje de la tolerancia implica aceptar al otro desde la diferencia como legítimo otro, para encontrarse en la relación filial y amorosa de la unidad de la especie como auténticos iguales en el contexto de la cultura humana. De esta forma aprendemos a escuchar y seguir la argumentación de un expositor (relator), a valorar lo positivo así como contraargumentos, tesis y posiciones (correlator), y a aprender a participar cuando es pertinente y necesario, registrando, anotando y organizando las ideas y argumentos cuando se desea intervenir, respetando y demostrando interés por apreciar y evaluar los argumentos contrarios como instrumento formidable para cotejarlos con los propios y sacar conclusiones (discusión). Protocolo El protocolo constituye el testimonio de los más relevante y esencial de cada sesión del seminario. Normalmente, es un registro escrito que recoge los momentos más significativos del seminario y cuyo propósito final es ser fuente documental principal de las memorias del seminario. El protocolo, como documento testimonial, debe recoger el tema, día, duración, asistentes, funciones y tareas cumplidas (síntesis de la relatoría y correlatoría), desarrollo de la discusión, aportes de los participantes, interrogantes nuevos sobre el tema, validaciones y acuerdos entre los miembros del seminario. El protocolo permite en su realización el ejercicio de la concentración para percibir y captar lo fundamental, los momentos más trascendentales de la sesión y plasmarlo por escrito. Por tanto, la elaboración de protocolos permite superar una cultura oral que, aunque legítima y válida, no logra hacer trascender la producción intelectual del docente o seminarista del instante presente de su presentación hacia un horizonte de permanencia, relecturas y perfeccionamiento sistemático, así como de amplia y diversa difusión pública para una apropiación colectiva múltiple, cuestión que sí es posible con el texto escrito.

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E papel de El el director del semin nario Partiendo del d principio de que en e todo sem minario invvestigativo la responsa abilidad f final reposa a en la activvidad, desttreza y recu ursividad de el grupo qu ue se dé el mejor y m más produ uctivo clim ma de con nvivencia y progreso o, el papel del direcctor es d determinan nte, especia almente en los semina arios forma ales y escollarizados; en e tanto e director es quien posee el p la mayor m experriencia y dominio sob bre el tema a, serán a además, su u ejemplo y acción lo os encargad dos de dirigir a los participantess por la h huella investigativa, proponer p ho orizontes innovadores y, por tanto, inducir cambios c d actitude de es hacia la investigació ón, el saberr y el desarrrollo human no. 1.6 METOD DOLOGÍA13 Para llevarr a cabo el Seminario o de Investigación sa atisfactoriam mente debe e haber u adecua una ada planea ación y orga anización con c el prop pósito de ga arantizar la a fluidez d las sesiiones y el cumplimien de c nto de los objetivos o planteados para el sem minario. Por ello para este fin es necesarrio definir la a metodolo ogía a desa arrollar la cu ual esta e esquematiz zada en la Figura. La as diferente es etapas que q se rea alizan dentrro de la d dinámica del seminariio, se pued den agruparr el tres gra andes: Plan neación, eje ecución y finalización; las cuales se re elacionan entre e sí, de ependiendo o cada una a de la a anterior. ura 1: Esqu uema meto odológico del Semina ario de inv vestigación n Figu

Septiembre Fu uente: Unive ersidad Ind dustrial de Santander, S e de 2007 Esta es la a metodolo ogía que se seguirá á en el desarrollo d d semina del ario de i investigació ón en Enerrgía, Medio o Ambiente y Desarrolllo Sostenib ble.                                                              1 13

Universidad  Industrial  de  Santander.  Lin neamientos  pa ara  el  seminarrio  de  investig gación  como  modalidad  m para el desarro p ollo del trabajo o de grado. Viccerrectoría académica. Septieembre de 2007 7 

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2. PLANEACIÓN En esta etapa se establecen los lineamientos bajos los cuales se desarrollará el seminario, se define el alcance y los resultados que se esperan obtener. El alcance del seminario depende del grado de profundidad del estudio y la formación de los participantes. Los objetivos y alcances del seminario son: • Desarrollar sesiones de seminario de acuerdo a la metodología del seminario Alemán. • Elaborar un documento síntesis donde se consignen las memorias de las relatorías y de la investigación realizada, que sirva de referencia para el desarrollo de la asignatura “Energía, Medio Ambiente y Desarrollo Sostenible”. • Realizar presentaciones en Power Point, ayudadas con videos y artículos de los temas relacionados de acuerdo a lo expuesto en las “especificaciones de los entregables”. • Elaborar un wiki accesible desde internet en el cual se consigne todo el material de apoyo seleccionado. • Plantear y desarrollar el diseño energético de una vivienda autosostenible para una familia colombiana promedio. 2.1 SELECCIÓN DEL TEMA El seminario de investigación se desarrolló alrededor de un tema específico, que genera atracción y motivación en los participantes hacia la investigación, por ende su adecuada selección contribuyo al éxito del seminario. Los aspectos que se tuvieron en cuenta para la selección del tema son: • • •

Estudio previo sobre el tema Nivel de formación de los participantes La orientación y perfil del director

2.2 ESTUDIO BIBLIOGRÁFICO Antes de iniciar el Seminario de investigación se define la bibliografía para estudiar el tema seleccionado. Cada uno de los participantes debe documentarse acerca de él, dependiendo de sus requerimientos, consultando dicha bibliografía. Si en algún caso el participante considera que ésta no es suficiente, puede recurrir a otras fuentes, siempre que aporten algo nuevo a su investigación acerca del tema. De igual manera debe indagar sobre aquella bibliografía que será empleada para la profundización del tema durante la ejecución del seminario.

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La bibliografía seleccionada para su estudio es la siguiente: D. DEVIN’S, Energy its physical impact on the environment, John Wiley and Sons, New York. Es un texto de nivel universitario basado en la energía para la energía para carreras como ingeniería mecánica y ambiental. Proporciona información científica de los principios físicos de la producción de recursos energéticos y la tecnología de conversión, y sus efectos ambientales. El texto incluye estudios diversos de los fenómenos energéticos y consideraciones geopolíticas de interés, además del punto de vista del autor como experto en el tema energía y medio ambiente. También trata con tecnologías nuevas como alternativa para la conservación del ecosistema como la energía nuclear, células solares y otros temas tan diversos como la meteorología, todas encaminados a entender de forma científica el fenómeno medioambiental como consecuencia del descubrimiento y uso de la energía. Incluye preguntas, proyectos y glosario del contenido. Gore, Albert Arnold (dir). An Inconvenient Truth (documental en video) (Estados Unidos): Paramount Classics and Participant Productions, 1 DVD (96 min). Documental dirigido por el ex vicepresidente, premio Nobel, ganador del Oscar y reconocido ambientalista internacional Al Gore, en donde relucen datos históricos y nuevos, acerca del impacto directo del uso de la energía sobre el medioambiente. Es complementario al texto guía en cuanto intenta concientizar acerca del uso de los recursos energéticos y da una visión global del intento que hacen la naciones por preservar el planeta. MARAVILLAS MODERNAS, EL COCHE DEL FUTURO, history cannel (documental en video) (Estados Unidos), 1 DVD (97 min). Este documento complementa el estudio que se realiza en el capítulo: Procesos de conversión de energía, en el tema Maquinas térmicas. Hace un recuento histórico general del desarrollo de las maquinas térmicas alternativas como opción para el trabajo y trasporte y su desarrollo a lo largo de la historia, tocando temas como su desarrollo tecnológico y como éste ha afectado de forma directa el medio ambiente. Arroja además información actualizada sobre datos estadísticos de interés para el desarrollo de las memorias del proyecto de grado y explica de forma detallada el funcionamiento físico y químico de los automóviles desde sus principios hasta las nuevas tecnologías aplicables con mira en mejorar el tratamiento ambiental. CENGEL, Yunus A y BOLES, Michael A, Termodinámica, Mc Graw Hill, edición, 2009. Y MARADEY CHARRIS, Juan francisco, Termodinámica aplicada, Bucaramanga, Universidad Industrial de Santander, escuela de Ingeniería Mecánica. Estos documentos complementa el estudio que se realiza en el capítulo: Procesos de conversión de energía, en el tema elementos de la

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termodinámica. Texto guía y base de entendimiento en la escuela de Ingeniería Mecánica de la Universidad Industrial de Santander. INGEOMINAS, Instituto Colombiano de Geología y Minería [en línea]. (http://www.ingeominas.gov.co/) consultado: forma permanente. INGEOMINAS, presenta información actualizada sobre recursos energéticos a nivel nacional, así como datos estadísticos de consumo, proyecciones y representaciones graficas de la distribución de los recursos en el país. Yann Arthus-Bertrand (dir). Home (documental en video) (actividad humana y equilibrio ecológico), (Europa corp.) 1 DVD (93 min). Sobre el uso de los combustibles fósiles, su uso e impacto ambiental en el globo. Es un documental del año 2009 con datos actualizados sobre el gasto de la energía a nivel mundial y su efecto en el medio ambiente. Intenta concientizar a los habitantes del planeta en el uso adecuado de los recursos dando una visión completa de cuanto ha cambiado la tierra desde que el hombre hizo su primera aparición. DIEZ, Pedro Fernández, Compendio de libros de ingeniería, universidad de Cantabria, departamento de ingeniería eléctrica y energética. Los libros de ingeniería de Pedro Fernández Diez, complementan la investigación en temas como bombas, compresores, energías alternativas, ingeniería térmica, mecánica de fluidos y turbinas. Alternative Energy news and information resources about renewable energy technologies, (http://www.alternative-energy-news.info/).Es un portal dedicado a brindar información actualizada sobre todo tipo de energías alternativas; además sirve de enlace con diferentes organizaciones, revistas científicas, foros temáticos especializados en energía verde. Este sitio web también ofrece videos, artículos y noticias sobre los desarrollos tecnológicos en el campo energético. European Commission Energy, (http://ec.europa.eu/energy/ renewables/biofuels/biofuels_en.htm). Portal dedicado a informar a los usuarios sobre las últimas noticias, normas, legislaciones, estudios, boletines y estadísticas sobre el uso de energías limpias. Y las nuevas regulaciones para el uso de combustibles fósiles en Europa y que actualmente se están implementando en nuestro país. Además de innumerables artículos online, revistas, y otros textos científicos que se anotaran en el desarrollo del seminario y las demás fuentes se relacionaran en la base de datos enunciados en los anexos.

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2.3 SELECCIÓN DE LOS SUBTEMAS El tema de un seminario, dependiendo de su complejidad, es dividido en subtemas, con el fin de profundizar en aspectos relevantes y llegar a un análisis detallado que permita comprender de manera integral el tema general. La definición de los subtemas implica establecer el orden en el cual serán tratados, teniendo en cuenta la complejidad del tema y el alcance del seminario. Los subtemas de este seminario de investigación se presentan en resumen como en la siguiente tabla: Tabla 2: Subtemas del seminario de investigación CAPÍTULO 1 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6 CAPÍTULO 2 2.1 2.2 2.3 2.4 2.5 CAPÍTULO 3 3.1 3.2 3.3 3.4 CAPÍTULO 4 4.1 4.1.1 4.1.2 4.1.3 4.1.4 4.1.5 4.2 4.2.1 4.2.2 4.2.3 4.2.4 4.2.5 4.2.6

ENERGÍA, MEDIO AMBIENTE Y DESARROLLO SOSTENIBLE PARTE I REVISIÓN INTRODUCCIÓN AL ESTUDIO DE LA ENERGÍA Y EL MEDIO AMBIENTE La naturaleza del problema. Recursos energéticos. Flujo de energía terrestre. Combustibles fósiles. Energía geofísica. Energía nuclear. PARTE II PROCESOS DE CONVERSIÓN DE ENERGÍA PRINCIPIOS TERMODINÁMICOS Conceptos de termodinámica. Ley Cero de la termodinámica. Primer principio de la termodinámica. Segundo principio de la termodinámica. Principio de energía MAQUINAS TÉRMICAS Motores de combustión interna. Turbinas. Motores de combustión externa. Refrigeración. PROCESOS DE CONVERSIÓN DE ENERGÍA Conversión química. Conversión electroquímica. Celdas de combustible. Eficiencia de la conversión química. Acumulador eléctrico o pila. Impacto en el medio ambiente. Conversión fotovoltaica. Tipos de células fotovoltaicas. Coeficiente de absorción en función de la longitud de onda. Respuesta espectral. Características del voltaje. Aplicaciones de la tecnología fotovoltaica. Tendencias actuales

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CAPÍTULO 5 5.1 5.2 5.3 5.4 5.5 5.6 5.7 5.8 5.9 5.1 5.11 5.12 CAPÍTULO 6 6.1 6.2 6.3 6.4 6.5 6.6 6.7 6.8 CAPÍTULO 7 7.1 7.2 7.3 7.4 CAPÍTULO 8 8.1 8.1.1 8.1.2 8.1.3 8.1.4 8.1.5 8.1.6 8.2 8.2.1 8.2.2 8.2.3 8.2.4 8.2.5 8.2.6 8.2.7 8.2.8 8.2.9

ENERGÍA, MEDIO AMBIENTE Y DESARROLLO SOSTENIBLE ENERGÍA EÓLICA Energía eólica. Recurso eólico. Potencia específica del viento. Velocidad del viento. Estimación de la energía eólica. Valores actuales y proyecciones a futuro. Sistema de almacenamiento. Curva de potencia. Consideraciones medioambientales y mantenimiento. Aspectos económicos y de gestión. Energía eólica en Colombia. Ventajas y desventajas de la energía eólica. HIDROELECTRICIDAD Central hidroeléctrica. Energía hidráulica en el mundo. Energía hidráulica en Colombia. La minihidroeléctrica en el mundo. Impacto de las represas Impactos ambientales Impacto socioculturales. Beneficios de la energía hidráulica MAGNETOHIDRODINÁMICA Que es la Magnetohidrodinámica Ecuaciones de la Magnetohidrodinámica Tipos de ciclos Magnetohidrodinámica Las instalaciones Magnetohidrodinámica U-25 PARTE III FUENTES Y MANEJO DEL CALOR COMBUSTIBLES RENOVABLES Y NO RENOVABLES Combustibles Historia de la combustión. Reacción de combustión Entalpia de formación Clasificación de los combustibles. combustibles sintéticos Combustibles en Colombia Biomasa Biomasa de origen residual Cultivos energéticos Características térmicas de la biomasa Características de combustible de la biomasa Procesos de conversión de la biomasa en energía Tecnología de la combustión para la industria Biomasa en el mundo. Biomasa en Colombia Aspectos medio ambientales de la combustión de la biomasa

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8.2.10 8.3 8.3.1 8.3.2 8.5.3 CAPÍTULO 9 9.1 9.2 9.3 9.4 9.5 9.6 9.7 9.8 CAPÍTULO 10 10.1 10.2 10.3 10.4 CAPÍTULO 11 11.1 11.2 11.3 11.4 11.5 11.6 11.7 11.8 11.9 11.1 CAPÍTULO 12 12.1 12.2 12.3 12.4 12.5 12.6 12.7 CAPÍTULO 13 13.1 13.2 13.3 13.4 13.5 13.6

ENERGÍA, MEDIO AMBIENTE Y DESARROLLO SOSTENIBLE Ventajas y desventajas Biocombustibles Bioetanol Biodiesel Puntos de vista acerca de los biocombustibles ENERGÍA GEOTÉRMICA Evolución histórica. Geotermia. Manifestaciones geotérmicas. Aplicaciones y tipos de energía geotérmicas. Explotación del recurso térmico. Geotermia en el mundo. Impacto ambiental. Panorama nacional. ENERGÍA SOLAR La constante solar Distribución espectral de la radiación solar extraterrestre Energía solar en el mundo Posibles áreas de aplicación de la energía solar ENERGÍA NUCLEAR ¿Que es la energía nuclear? Fundamentos físicos Reactores nucleares de fisión. Reactores nucleares de generación Seguridad en los reactores nucleares El ciclo de combustión nuclear Fusión nuclear Energía nuclear en el mundo Energía nuclear en Colombia. Impacto ambiental MANEJO DEL CALOR RESIDUAL El calor residual. Calor residual en generación eléctrica Calor residual en la industria Dispositivos diseñados para la recuperación del calor residual Efectos del calor residual en el ambiente Dispersión de calor Aplicaciones útiles y panorama de los residuos energéticos PARTE IV UTILIZACIÓN DE LA ENERGÍA ALMACENAMIENTO DE ENERGÍA Almacenamiento de energía Alternativas de almacenamiento de energía Almacenamiento de energía mecánica Almacenamiento de energía química Almacenamiento de energía eléctrica Almacenamiento de energía térmica

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CAPÍTULO 14 14.1 14.2 14.3 14.4 14.5 CAPÍTULO 15 15.1 15.2 15.3 15.4 15.5 15.6 15.7 15.8 CAPÍTULO 16 16.1 16.2 16.3 16.4 16.5 16.6 16.7 16.8 16.9 16.1 16.11 16.12 16.13 16.14 CAPÍTULO 17 17.1 17.2 17.3 17.4 17.5 17.6 17.7 17.8 17.9 17.1 17.11 17.12 17.13 17.14

ENERGÍA, MEDIO AMBIENTE Y DESARROLLO SOSTENIBLE EFICIENCIA EN EL USO DE LA ENERGÍA Conservación de la energía doméstica y comercial Plan de Acción Nacional de Eficiencia Energética Las grandes petroleras se vuelven verdes Green Building Conservación de la energía en la industria PARTE V DEGRADACIÓN AMBIENTAL BALANCE DE ENERGÍA GLOBAL Balance de energía global Leyes de radiación La atmósfera Principales gases efecto invernadero Otros componentes del balance energético global Forzamiento radiactivo Enfrentando el problema del calentamiento global Balance de energía global en Colombia EFECTOS CLIMÁTICOS LOCALES Cambios microclimáticos Microclimas Contaminantes del aire Contaminantes gaseosos Material particulado Índice de calidad del aire Controles de contaminación del aire Contaminación atmosférica Meteorología y efectos sobre la salud Fuentes y control Inversión térmica Efectos adversos de la inversión térmica Contaminación producida por el tráfico Capa de ozono RADIACIÓN EN EL MEDIO AMBIENTE Radiación en el medio ambiente Interacción de la radiación con la materia Naturaleza de la radiación Interacción de partículas cargadas Interacción de la radiación electromagnética con la materia Mecanismos de interacción Interacción de los neutrones con la materia Unidades de radiación Radiación de fondo Radiación solar en Colombia Radioisótopos Radiación artificial Efectos de la radiación Clasificación de los efectos biológicos

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17.15 17.16 17.17 17.18 17.19 CAPÍTULO 18 18.1 18.2 18.3 18.4 18.5 18.6 18.7 18.8 18.9 18.1 18.11 18.12 18.13

ENERGÍA, MEDIO AMBIENTE Y DESARROLLO SOSTENIBLE Respuestas sistemáticas y de algunos órganos a la radiación Síntomas clínicos de la radiación Estándares de la radiación Principios de protección radiológica Situaciones de exposiciones de emergencia PARTE VI TENDENCIAS DESARROLLO SOSTENIBLE Desarrollo sostenible Las cumbres mundiales sobre el desarrollo sostenible Antecedentes en materia de desarrollo sustentable Energía e impacto ambiental Energía y crecimiento económico Energía y necesidades básicas humanas Principios del desarrollo sostenible Sostenibilidad del sistema humano Sostenibilidad del sistema ecológico Valores y ética ambiental Ecología y prácticas profesionales Desarrollo y medio Ambiente: Una mirada a Colombia Algunas observaciones

Fuente: Los autores14

2.4 DESCRIPCIÓN DE LOS SUBTEMAS 2.4.1 La naturaleza del problema Se lee casi a diario en todas las latitudes del planeta sobre la escasez de combustibles y materiales esenciales. Se cree que cientos de años de suministro de energía están disponibles en el carbón, gas natural y en la energía nuclear, además de otras energías alternativas, ahora que se sabe que el petróleo tiene fecha de caducidad, pero que puede haber grandes consecuencias medio ambientales si estos recursos se utilizan a un rateo acelerado. De repente nos encontramos en la era de los límites, donde reconocemos que los recursos del planeta son finitos y de hecho se están acabando a un ritmo exponencial. Con este reconocimiento ha llegado el cuestionamiento de nuestro modelo tradicional de crecimiento y con él, el problema de energía medioambiental de consumo, una inquietud mundial acerca de la tecnología y búsqueda de energía amable con el planeta. El debate profesional se abre entonces y da paso a la investigación y estudio de soluciones profesionales.

                                                             14

 La selección de los temas y subtemas fueron basados en Delbert W. Devins, ENERGY its physical impacto n  the environment. 

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2.4.2 Elementos de termodinámica En este capítulo entenderemos cómo las partículas interactúan con su entorno durante la transferencia de energía. Las interacciones de los objetos reales, ya sea en la escala microscópica o macroscópica, suelen ser demasiado complejas para calcular con exactitud. Esta es una de las razones que ha demostrado el concepto de energía en algo tan importante. Muchos de estos procesos son de gran interés en el estudio de los problemas ambientales de la energía, y que se pueden expresar en términos de una serie de transferencias de energía de un sistema a otro. Los temas a tratar son el concepto de termodinámica, primera ley de la termodinámica, trabajo termodinámico, gases ideales, segunda ley de la termodinámica, ciclo de Carnot, entropía. Las conversiones de energía son fundamentales, y veremos su importancia en los capítulos que vienen. Tendremos que entender estos conceptos físicamente ¿cómo un gran número de estas partículas interactúan con su entorno durante la transferencia de energía? 2.4.3 Máquinas térmicas En este capítulo se examinaran en detalle varios dispositivos que utilizan un fluido a alta temperatura en el proceso de conversión de energía. Estos pertenecen a una clase general de dispositivos llamados motores de calor. Vamos a usar este término en el sentido de todo lo que recibe calor a una temperatura inicial y la convierte en trabajo para posteriormente rechazar calor a otra temperatura de una manera cíclica. Los temas a tratar son motor de combustión interna, motor Diesel, maquinas rotativas, ciclo Rakine, ciclo Brayton, motor Stirling, ciclos de refrigeración. 2.4.4 Procesos de conversión de energía I Tal y como postula el primer Principio de la Termodinámica, la energía no se crea ni se destruye, simplemente se transforma. La energía puede transformarse de una forma a otra, como por ejemplo de electricidad a calor o de calor a electricidad. Aunque el que pueda convertirse no significa que sea éste un proceso siempre fácil y tampoco que una de las conversiones será más costoso que la otra. Por ejemplo, la Física indica que 1kWh equivale a 800 Kcal y que 800 Kcal equivalen a 1kWh, aunque ello no implique que en la práctica con 860 Kcal se pueda obtener 1Kwh. De hecho, se obtiene mucho menos. En cambio, con 1 Kwh pueden obtenerse cerca de 860 kcal en la práctica. El rendimiento es un factor fundamental que marca la rentabilidad y eficacia de los diversos tipos de conversión de la energía. Esta paradoja se debe a que la energía tiene un valor cuantitativo que es su magnitud y otro, cualitativo, denominado entropía. Pasar de una forma de energía

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de alta calidad o baja entropía a otra de forma de baja calidad o de alta entropía resulta mucho más fácil que la transformación inversa15. Sin embargo, los seres humanos a lo largo de su historia han inventado diversos artefactos que posibilitan también la conversión energética. La eficiencia con la que esta transformación se produce está directamente relacionada con la proporción entre su forma final y su forma inicial y también depende de las leyes físicas y químicas que gobiernan la conversión. Los sistemas de conversión de energía discutidos hasta el momento han hecho uso de la energía por intermedio de calor, para el suministro de la energía utilizable a lo que usualmente se le conoce como producto final, por lo general electricidad. Existen dispositivos para la conversión de la energía en otras formas de energía eléctrica directamente, a menudo pasando por alto la etapa de la transformación de calor, siempre ineficiente. Los sistemas que utilizan la electroquímica, celdas fotovoltaicas, termoelectricidad, termo-iones, magnetohidrodinámica, y las fuentes de potencia de radioisótopos son sólo algunos. Con la clara necesidad de reducir nuestra dependencia de los combustibles fósiles (y la etapa de combustión concomitante) ha recorrido un renovado interés en varios de estos sistemas. Los temas a tratar celdas electroquímicas, baterías, efecto fotoeléctrico, celdas solares, magneto hidrodinámica (MHD), turbinas horizontales de viento. 2.4.5 Fuentes de calor Lasprincipales fuentes decalor para laoperaciónen la industria sonla combustióndesustanciasinflamablesylaenergía natural almacenada en la tierra. Además deestaspodríamosañadirla radiación solar. Se examinanlos métodosdecálculo dela liberaciónde energíapara las reacciones químicasen general.Estosestudiospuedenayudara determinarla fuente decalormásadecuadopara unaaplicación dada. Se tratan los temas: combustibles, energía geotérmica y energía solar. Pero debemosrecordarquelas decisionesrelacionadas con la energíanormalmente se toman enbase a razoneseconómicasy nopor razones técnicas. 2.4.6 Energía nuclear La energía nuclear procede de reacciones de fisión o fusión de átomos en las que se liberan gigantescas cantidades de energía que se usan para producir electricidad. La energía puede ser usada para fines pacíficos o bélicos. En 1956 se puso en marcha, en Inglaterra, la primera planta nuclear generadora                                                              15

 http://www.ambientum.com/enciclopedia/enciclo_ener.htm 

 

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deelectricidad para uso comercial16. Se tratan los temas de interés reactores de fisión térmicos, reactores de generación, seguridad de los reactores, ciclo del combustible nuclear y fusión termonuclear, además de la actualidad mundial en este tema. 2.4.7 Manejo de los residuos energéticos Como sabemos, todos los dispositivos de conversión de energía que utilizan el calor como una forma de energía intermedia deben rechazar una gran parte de ese calor. Con la llegada de los reactores de energía nuclear, el público se ha vuelto muy consciente de estos residuos, aunque por supuesto que ha existido durante muchos años con las plantas de combustibles fósiles. La Comisión de Energía Atómica (AEC), se dio cuenta cuando empezó a promover la energía nuclear comercial en la década de 1950 que el problema del calor residual de los reactores sería motivo de preocupación y comenzó a patrocinar los esfuerzos para encontrar aplicaciones beneficiosas de estos desechos energéticos. En esta parte se manejan los temas: efectos térmicos, dispersión de calor, aplicaciones útiles de esos residuos energéticos y reducción de la producción de los residuos energéticos, siempre visto desde un punto de vista técnico y ambiental. 2.4.8 Trasmisión de energía Hemos examinado el impacto de las diversas fuentes y formas de energía y los procesos de conversión que son de valor para nuestra sociedad. Sabemos que hay una serie de técnicas para el transporte de energía, ya sea en el estado como combustible o como un "acabado" de productos, como la electricidad o el calor. En muchos casos, la geografía o topografía determina la forma de transporte, en otros casos no es una opción. En años anteriores, las necesidades energéticas de nuestro país, el tamaño de los distritos metropolitanos, y el estado de la tecnología eran tales, que relativamente pequeñas plantas de conversión de energía pudieron ser construidas económicamente dentro de las ciudades, el problema de transporte de energía sólo fue con el combustible. La transmisión del "terminado" producto por lo general no es necesaria o deseable. 2.4.9 Almacenamiento de energía El almacenamiento de energía comprende los métodos que tiene la humanidad para conservar en la medida de lo posible una cierta cantidad de energía en cualquier forma, para liberarla cuando se requiera en la misma forma en que se recolectó o en otra diferente. Las formas de energía pueden ser energía potencial (gravitacional, química, elástica, etc.) o energía cinética. Muchos sistemas mecánicos funcionan almacenando energía y consumiéndola lentamente: un ejemplo es el reloj mecánico que almacena en el muelle la energía para ir                                                              16

 http://www.eltiempo.com/noticias/energia‐nuclear 

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consumiéndola vía un regulador. En un ordenador los condensadores existentes en un chip almacenan la energía suficiente para que al volver a encenderse tengan la memoria de algunas de las funciones previas. Incluso los alimentos son una forma que la naturaleza tiene de almacenar la energía procedente del Sol. Existen principalmente cuatro formas de almacenar energía a gran escala: • • • •

Química Eléctrica Mecánica Térmica

2.4.10 Eficiencia en el uso de la energía17 La energía, el medio ambiente y la economía. Estos tres elementos contribuyen a las condiciones de vida y la calidad de vida, y esto ha sido cierto desde que los primeros humanos aprendieron a hacer fuego y plantar cultivos. La necesidad de mantener un equilibrio cuidadoso entre los tres ha adquirido una nueva urgencia en el siglo XXI. Los combustibles fósiles que han impulsado la productividad desde la Era Industrial están desapareciendo, cambian la atmósfera y contribuyen al cambio climático. Para lograr obtener mayor productividad del actual consumo de energía no se requiere ningún aumento en la producción energética. Por lo tanto, la eficiencia cuesta menos y es más fácil de conseguir que cualquier otro medio de producción. La eficiencia es también la fuente de energía más limpia puesto que no aumenta las emisiones. En el plano mundial, el crecimiento esperado en la demanda de energía sigue una trayectoria insostenible, y la eficiencia energética y la conservación desempeñarán un papel clave en la reducción de ese crecimiento. 2.4.11 Balance de energía global Tengamos en cuenta que sólo hay dos fuentes: el sol y la radiactividad natural de la tierra. La entrada de las unidades de energía de los dos motores de calor, las corrientes atmosféricas y oceánicas, para la transferencia de calor desde el ecuador a los casquetes polares. En el equilibrio de la energía solar absorbida por la tierra con el tiempo debe ser irradiado al espacio. Creemos que en la actualidad no existe un equilibrio entre la cantidad de calor que llega a la tierra, es decir, pensamos que la tierra es cada vez más caliente que fría, y no está en equilibrio. Estos temas se tratan en esta sesión además de los efectos en la humanidad. 2.4.12 Efectos climáticos globales.                                                              17

  El  uso  eficiente  de  la  energía,    departamento  de  estado  de  Estados  Unidos,  oficina  de  programas  de  información internacional 

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Microclima es el clima de un área geográfica pequeña de unos pocos cientos de metros cuadrados a unos pocos cientos de kilómetros cuadrados. Son estos efectos locales los que desean estudiar. La vida en la ciudad es diferente de la vida en el país. Aparte de las diferencias sociológicas implica, por esta verdad, también nos referimos a indicar que hay diferencias climáticas entre la ciudad y el país. Estas diferencias se han conocido por años, aunque sus causas sólo ahora están empezando a entender. Hay varios factores. En primer lugar, la ciudad es una región de alta densidad de población, los subproductos de las actividades humanas se amplifican en esta concentración.Es más, muchas de las actividades que más perjudiciales para el medio ambienteen general, sólo tienen lugar en la ciudad o área de fabricación pesada metropolitana, refinación, producción a gran estación central de energía, y así sucesivamente. Como consecuencia, el aire en las ciudades es generalmente cargados de aerosoles y contaminantes gaseosos. Estos contaminantes no sólo refuerzan el efecto invernadero de la ciudad, sino que también absorben el calor 2.4.13 Radiación en el medio ambiente. Tal vez el aspecto más controvertido de la energía nuclear es la producción de materiales radiactivos por productos durante el proceso de fisión. El ciudadano medio está alarmado ante la posibilidad, remota o no, de ser bombardeado por los rayos invisibles que pueden inducir el cáncer y contra los cuales hay poca protección. En este capítulo se discute la naturaleza de la radiación, tanto artificial y natural, y los efectos de la radiación en las personas.

2.5 PLANIFICACIÓN DE LAS SESIONES. Las sesiones son las reuniones que se realizan durante la ejecución del seminario, donde se exponen y discuten cada uno de los subtemas. Su planificación consiste en: • Determinar el número de sesiones. • Asignar el subtema a tratar en cada sesión. • Las fechas en las que se llevaran a cabo. • Definir los tiempos previos requeridos para la preparación de los subtemas por parte de los participantes. • Definir la duración de cada sesión y su distribución para el desarrollo de las actividades de los roles. • Asignar los roles.

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Se determinaron 14 sesiones de acuerdo a los temas y subtemas seleccionados para el desarrollo del seminario. Además los diferentes roles (relator, correlator, protocolante y asistentes).Se definieron de acuerdo a la tabla 3:

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Tab bla 3: Asig gnación de roles por subtemas

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F Fuente: Loss autores 72  

3. EJECUCIÓN. Esta etapa consiste en llevar a cabo lo establecido en la planeación. Las siguientes son los pasos para la ejecución del Seminario de Investigación: 3.1 DOCUMENTACIÓN PARA EL SUBTEMA. El relator elaboro un documento con normas técnicas y metodología científica acerca de su exposición, junto con una presentación en Power Point, el cual fue revisado por el director. Previo a cada una de las sesiones, los miembros del grupo, indiferentemente del rol de desempeño durante la sesión, se dieron en la tarea de conocer y estudiar dicho documento y la bibliografía definida, con el propósito de estar preparados para participar y aportar al desarrollo de la sesión. 3.2 DESARROLLO DE UNA SESIÓN. Cada una de las sesiones de seminario, a diferencia de la primera, por no tener predecesora, se desarrolla de manera fluida siguiendo el orden de las actividades. 3.3 ACTAS. El acta es un documento escrito donde se hace constar el tema de la sesión, el lugar de su desarrollo y la hora, además de los diferentes roles que cumples los asistentes, compromisos adquiridos y conclusiones finales o discusión del tema. En la figura 2. Se muestra el formato de acta que se desarrolla en el seminario de investigación

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Figurra 2: Acta de d la sesió ón

F Fuente: Loss autores

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A continuación se muestra un ejemplo de documento que se estableció en la sesión de Energía Eólica. (Sesión 5)

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SECCIÓN 2

ENERGÍA, MEDIO AMBIENTE Y DESARROLLO SOSTENIBLE

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PARTE I REVISIÓN

CAPÍTULO 1: INTRODUCCIÓN AL ESTUDIO DE LA ENERGÍA Y EL MEDIO AMBIENTE 1.1 1.2 1.3 1.4 1.5 1.6

La naturaleza del problema. Recursos energéticos. Flujo de energía terrestre. Combustibles fósiles. Energía geofísica. Energía nuclear.

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CAPÍTULO 1 INTRODUCCIÓN AL ESTUDIO DE LA ENERGÍA Y EL MEDIO AMBIENTE

“Colombia tiene la oportunidad de hablar en temas ambientales, porque las naciones ven al país como fuente de esperanza. Hay que cambiar las fuentes de energía por otras renovables, debemos usar el sentido común y el conocimiento científico, la voluntad política es un recurso renovable.Latinoamérica podría contar con plan intercontinental para usar energía solar y eólica y así reducir las emisiones de CO2, frente al cambio climático, no hay tiempo que perder”. Al Gore18

                                                             18

 Al Gore,  exvicepresidente de Estados Unidos y premio Nobel de Paz,  http://www.bogota.gov.co/portel/libreria 

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INTRODUCCIÓN La energía está involucrada en todos los aspectos de nuestra vida; así cuando una persona habla de energía se está refiriendo a la gasolina para su automóvil, a la electricidad para iluminación y para acondicionamiento del aire ambiente. El sector industrial consume enormes cantidades de energía tanto para operación como para satisfacer las necesidades de calor, luz, refrigeración, transporte y otros servicios. De manera que las llamadas crisis de energía no son más que situaciones coyunturales en las que se potencia la dificultad de obtener energía en forma útil para la sociedad industrializada y para elevar su nivel de vida. Usualmente, ésta se refiere al nivel de comodidades materiales y confort de la sociedad. Así, cuando se eleva el nivel de vida, se requiere menos tiempo y esfuerzo para la satisfacción de las necesidades domésticas básicas y de mantenimiento de la vivienda y para la preservación personal. También un alto nivel significa que la sociedad dispone de buenos servicios médicos, sanitarios, de transporte, protección y seguridad ciudadana. Se puede decir entonces que el nivel de vida de un país depende de la cantidad de energía disponible por persona; por ésta se entiende no sólo la energía bajo su control directo sino también la energía promedio por persona usada en las industrias para proveer materiales de confort, para transporte y otros servicios. Tal que mientras más energía por persona use un país, más alto será su nivel de vida19. En este capítulo se introduce al estudio de la energía examinando los recursos energéticos que posemos, como los combustibles fósiles, la energía proveniente de la tierra y la energía nuclear. Se tratan estos temas a manera de introducción ya que su desarrollo más completo se adelanta en los capítulos posteriores. 1.1 NATURALEZA DEL PROBLEMA. Hoy en día estamos frente a conflictos de todo tipo y en todo momento. Leemos casi todos los días de escasez de combustibles, alimentos, agua y materiales cruciales. Se nos dice que cientos de años de suministro de energía están disponibles en el carbón y la energía nuclear, pero que pueden ser graves las consecuencias para el medio ambiente si estos recursos se utilizan a un ritmo acelerado. También se escucha sobre un sinnúmero de regulaciones gubernamentales para obtener aire más limpio y agua menos contaminada luego de los procesos industriales, sin embargo, no se advierte una mejora sustancial en las condiciones medioambientales.20 Nos hemos encontrado de repente en la "Edad de los límites." Estamos en el umbral de reconocer que los recursos del planeta son finitos. Éste debe                                                              19

 FAUSTO POSSO, ENERGÍA Y AMBIENTE: PASADO, PRESENTE Y FUTURO PARTE UNO: SISTEMA ENERGÉTICO  BASADO  EN  FUENTES  FÓSILES,  Geoenseñanza,  año/vol.  5,  número  002,  Universidad  de  los  Andes,  San  Cristobal, Venezuela, pp. 197‐228  20 D. DEVINS, Energy its physical impact on the environment, John Wiley and Sons, New York.   

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proporcionar todas las condiciones de vida para todos sus habitantes para siempre. Con este reconocimiento ha llegado el cuestionamiento del modelo tradicional de crecimiento y consumo, una inquietud mundial sobre tecnología y la búsqueda de fuentes de energía limpias desde el punto de vista ambiental. El debate público sobre "energía verde" ha dado lugar a una mayor conciencia del impacto de nuestra sociedad en su entorno. Con la llegada del nuevo milenio y dentro del ambiente de la concientización global surge una serie de preocupaciones y metas que en teoría mueven los propósitos de la mayoría de estados del mundo y que se plantearon en la denominada “cumbre del milenio” de la Organización de Naciones Unidas (ONU) que se llevó a cabo del 5 al 8 de septiembre del año 2000 en la sede de dicha organización en New York. De dicha cumbre surgieron los denominados objetivos del milenio21 como propósitos firmes a lograr en el presente siglo con el fin de asegurar la supervivencia de los humanos como raza, tales objetivos son: • Erradicar la pobreza extrema y el hambre. • Lograr la enseñanza primaria universal. • Promover la igualdad entre los sexos y la autonomía de la mujer. • Reducir la mortalidad de los niños menores de 5 años. • Mejorar la salud materna. • Combatir el VIH/SIDA, el paludismo y otras enfermedades. • Garantizar la sostenibilidad del medio ambiente. • Fomentar una asociación mundial para el desarrollo. Se planteó así el garantizar la sostenibilidad del medio ambiente además de otros tópicos como prioridades para toda la humanidad. Atendiendo a toda esta temática surgen ideas tales como este seminario, orientadas a profundizar en la concientización. La sociedad sin duda va a cambiar, y se debe aceptar el cambio. Uno de los impedimentos para el desarrollo de esta política, es una ausencia casi palpable de comprensión por parte de muchas personas dentro y fuera de los gobiernos, de los principios físicos que subyacen a los procesos de generación y conversión de energía. Información acerca de los recursos, impactos ambientales, tecnologías alternativas, conservación, y otros temas de interés actual se propaga a través de una variedad de libros, revistas y artículos; aun así es difícil para el científico, por no hablar del ciudadano medio, obtener, cotejar y digerir los datos necesarios para tomar decisiones racionales. Este seminario de investigación ofrece información y muchas de las herramientas necesarias para hacer valer el poder de la visión física de los problemas ambientales de la energía. Todos los problemas no pueden ser estudiados en                                                              21

 Resolución del milenio, resolución aprobada por la asamblea general, ONU 8 de septiembre de 2000. 

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detalle, por ejemplo, las interacciones de la sociedad con su medio ambiente es un tema demasiado complejo. El plan de este seminario es sentar las bases en cada tema tratado, para demostrar la aplicación de los principios físicos que sea posible y para empezar que pensar en ellos desde un punto de vista científico. 1.1.1Estado del medio ambiente y los recursos naturales en Colombia Es evidente la interrelación entre la economía y los recursos naturales en cualquier parte del planeta. El medio natural, como componente de la base productiva provee a la actividad económica de bienes de consumo y recreativos. Como soporte físico de la producción, sirve de receptor de los desechos de las actividades productivas y de consumo. Y en términos biológicos, es el sustento de la vida misma. No obstante, los efectos del crecimiento económico del mundo contemporáneo hacen no sustentable ecológica, social y económicamente esta relación, lo que ha llevado a que se ponga en peligro al planeta Tierra y, con ello, al mismo hombre22. Colombia es uno de los países del mundo con mayor riqueza de recursos naturales. Posee el 10% de la flora y fauna mundiales, el 20% de las especies de aves del planeta, las especies de primates de América tropical, más de 56.000 especies de planas fanerógamas registradas y cerca de mil ríos permanentes. No obstante, en un mundo donde los sistemas productivos tienden a la homogeneización, esa diversidad se ha convertido en un obstáculo para el desarrollo productivo. Sin embargo, alcanzar un verdadero desarrollo exige convertir en ventaja esa diferencia, para lo cual son necesarios desarrollos científicos y tecnológicos propios. Durante los últimos veinte años, en Colombia la calidad del ambiente se ha deteriorado a tasas que no tienen precedentes, lo que ha llevado a la crisis ambiental. Crisis que se caracteriza por una alta tasa de deforestación, ocupación de áreas protegidas, alteraciones de los ecosistemas naturales reguladores del recurso (páramos y humedales), deterioro de los suelos, contaminación hídrica y contaminación atmosférica. La calidad del aire en ciudades como Barranquilla, Bogotá, Cali, Medellín y Sogamoso, tienen niveles de contaminantes que superan las normas existentes. El principal problema de contaminación atmosférica detectado son las emisiones de material particulado, óxidos de azufre y óxidos de nitrógeno que son generados por la industria manufacturera, las quemas a cielo abierto, las explotaciones extractivas y de combustión incompleta de combustibles fósiles en los procesos de generación de energía; y, las emisiones de monóxido de carbono e hidrocarburos, que provienenprincipalmente del parque automotor.

                                                             22

Desarrollo y medio ambiente: una mirada a Colombia GERMÁN SÁNCHEZ PÉREZ, Fundación Universidad  Autónoma de Colombia, Economía y Desarrollo ‐ Marzo 2002, vol. 1 

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1.1.2 Política ambiental en Colombia23 El manejo y protección de los recursos naturales y el medio ambiente en Colombia se han caracterizado por la evolución de la legislación ambiental y ha sido parcialmente influenciada por la política internacional en la materia. Hasta la expedición del Código de los Recursos Naturales y del Medio Ambiente en 1974, los recursos naturales se manejaron de una manera puntual con un criterio patrimonial y de explotación más que de conservación y su manejo se hizo a través de la creación de organismos que se ocupaban de la explotación de un recurso determinado hasta la utilización integrada y múltiple de varios de ellos. 1.1.3 La fusión de Ministerio de medio Ambientey Ministerio de Desarrollo: un balancenegativo La primera política de fondo en materia ambiental adoptadapor el gobierno del PresidenteÁlvaro Uribe fue la creación delMinisterio del Ambiente, Vivienday Desarrollo Territorial,una reforma que se anunció antesde su posesión. En la prácticase adicionaron al Ministeriodel Medio Ambiente las funcionescorrespondientes al suministrode agua potable, saneamientobásico, vivienda y desarrollo territorial, antes bajo responsabilidaddel Ministerio de Desarrollo,que se eliminó. Posteriormente, en el Plan Nacional de Desarrollo20022006 se estableció que estareforma, a similitud de otras yapuestas en marcha en el momentode la aprobación del Plan constituíauna estrategia para hacer elEstado más fuerte, eficaz, eficiente y transparente (PR, 2003).24 La iniciativa de esta reforma no fue el fruto de una evaluación de los logros, fortalezas, debilidades y perspectivas del Ministerio del Medio Ambiente, nueve años después de haber sido puesto en marcha a partir de la Ley 99 de 1993. Fue una iniciativa efectuada en el calor de la campaña presidencial del doctor Álvaro Uribe, quien ofreció reducir el número de carteras ministeriales como estrategia para hacer más pequeña la burocracia y disminuir el déficit fiscal. Una evidencia de la improvisación de la reforma fue el proceso mediante el cual se trató de concretar el anuncio de campaña. Antes de posesionarse el presidente se consideraron diversas alternativas de disminución del número de Ministerios, incluyendo la fusión del Ministerio del Medio Ambiente al de Agricultura. Finalmente se decidió conformarlo como hoy lo conocemos a partir de un memorando que envió el ex-viceministro Eduardo Uribe a Rudolf Hommes, entonces asesor del presidente electo. En el planteamiento de Uribe no se                                                              23

Sánchez, Enrique. “Evaluación de término medio. Proyecto de gestión ambiental participativa para la paz y   el desarrollo sostenible en Colombia. Ecofondo‐Acdi”. Bogotá, D.C: Gobierno de Canadá, Ecofondo, Febrero  14 de 2008, pág. 4.  24 Balance de la Política Ambiental. En: Consejo Nacional de Planeación, Balance de la Sociedad civil al Estado  Comunitario.  Memorias  del  8  Congreso  Nacional  de  Planeación  Participativa,  Medellín  Febrero  de  2004,  págs., 85‐99. Bogotá: Consejo Nacional de Planeación. 

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recomendó la fusión entre el ministerio de vivienda y el ministerio del medio ambiente, pero finalmente se llevó esta función a esta cartera puesto que al decir de Hommes no cabía en ninguna otra parte25. Colombia ocupa el noveno lugar entre 149 países clasificados según la calidad de su desempeño ambiental (ver tabla 4). Así concluye un estudio presentado en la Conferencia de Davos, y recientemente publicitado por la revista Newsweek (Julio 7, 2008). El estudio, realizado conjuntamente por dos centros pertenecientes a las Universidades de Columbia y Yale, asigna un valor numérico a cada país, basado en sus prácticas y resultados ambientales, y por supuesto el estudio ha generado interés y controversia, tanto en la opinión pública como entre los académicos26. Tabla4: Países del mundo ubicados en las primeras 60 posiciones 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30

SUIZA SUECIA NORUEGA FINLANDIA COSTA RICA AUSTRIA NUEVA ZELANDIA LIVIA COLOMBIA FRANCIA ISLANDIA CANADÁ ALEMANIA REINO UNIDO ESLOVENIA LITUANIA ESLOVAQUIA PORTUGAL ESTONIA CROACIA JAPÓN ECUADOR HUNGRÍA ITALIA DINAMARCA MALASIA ALBANIA RUSIA CHILE ESPAÑA

95.5 93.1 93.1 91.4 90.5 89.4 88.9 88.8 88.3 87.8 87.6 86.6 86.3 86.3 86.3 86.2 86 85.8 85.2 84.6 84.5 84.4 84.2 84.2 84 84 84 83.9 83.4 83.1

31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60

LUXEMBURGO PANAMÁ REP. DOMINICANA IRLANDA BRASIL URUGUAY GEORGIA ARGENTINA ESTADOS UNIDOS TAIWÁN CUBA POLONIA BIELORRUSIA GRECIA VENEZUELA AUSTRALIA MÉXICO BOSNIA ISRAEL SRI LANKA COREA DEL SUR CHIPRE TAILANDIA JAMAICA PAÍSES BAJOS BULGARIA BÉLGICA AMERICIOS TÚNEZ PERÚ

83.1 83.1 83 82.7 82.7 82.3 82.2 81.8 81 80.8 80.7 80.5 80.5 80.2 80 79.8 79.8 49.7 79.6 79.5 79.4 79.2 79.2 79.1 78.7 78.5 78.4 78.1 78.1 78.1

Fuente: Yale Center forEnvironmentalLaw&Policy and CIESIN                                                              25

Universidad  de  los  Andes,”  Actualidad  Discusiones  y  propuestas”,  Hacia  la  insostenibilidad  ambiental,  un  balance de la política ambiental 2002‐2006. Bogotá Agosto de 2007.  26 Colombia, ¿país líder en la protección ambiental?.Publicado en Razón Pública, Julio 24, 2008. 

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Otra evidencia de la improvisación de la reforma se expresa en el hecho de que el Ministerio del medio Ambiente no tenía prácticamente ningún potencial para disminuir el número de empleados, puestoque desde su creación había sido concebido como una entidadfundamentalmente técnica concentrada en la formulación de la política y las regulaciones, y con unas pocas competencias en materia de ejecución que no requeríala creación de una “gran burocracia”. Además, y a contrapelo de la propuesta del presidente Uribe, algunos diagnósticos sobre el Ministerio del medio Ambiente efectuados por losgobiernos anteriores habían mostrado la necesidad de fortalecersu planta de funcionarios con elfin de que cumpliera sus funciones a cabalidad27. 1.1.4El Ecofondo: respuestas socio-ambientales en un país turbulento. El Ecofondo juega un papel único e imprescindible como organización de la sociedad civil en el campo ambiental. Es una afirmación que parte de constatar que el balance de sus quince años de vida muestra que ha logrado cumplir con creces los propósitos e ideales expresados en su misión, es “una organización de organizaciones ambientalistas, no gubernamentales, comunitarias, de pueblos indígenas y afro descendientes, sin ánimo de lucro, que se concibe como un espacio democrático y participativo de incidencia en política y gestión ambiental.” y “sus acciones institucionales principales han sido la cofinanciación de proyectos ambientales, la incidencia en políticas públicas, la promoción de reflexión y acción en relación con problemáticas ambientales y el fortalecimiento de organizaciones y movimientos28”. Precisamente dos de los proyectos insignia de los últimos cinco años, la Campaña y Referéndum por el Agua, y el Proyecto de Gestión Ambiental Participativa para la Paz y el Desarrollo Sostenible en Colombia, sintetizan la realización práctica de los ideales que se ha fijado el Ecofondo. El significado del Ecofondo como cofinanciador de proyectos se observa en las cifras de lo realizado. En sus quince años ha cofinanciado 444 proyectos que alcanzaron un valor total aproximado de $109.000 millones, del cual aportó el 73%, habiendo estado el 27% restante a cargo de otras entidades, incluyendo las organizaciones beneficiarias29.                                                              27

Así, por ejemplo, en un estudio contratado por el ministerio en 1997 como base para su reestructuración se  subrayó  la  necesidad  de  mejorar  el  capital  humano  del  Ministerio  del  medio  ambiente.  Para  tal  fin  se  recomendó  aumentar  la  planta  del  ministerio  de  trescientos  a  cuatrocientos  empleados,  así  como  tomar  medidas  para  mejorar  la  calidad  de  los  técnicos  existentes  (Booz  y  Hamilton,  1997,  citado  por  Blackman,  2005. 28 Ecofondo, página web, consultada en Marzo, 2009, Disponible en internet en  http://www.ecofondo.org.co/menu/index.html  29 Corporación  Ecofondo. 2008.  Consolidado de  Proyectos Agrupados  por  Fuente  de  Cofinanciación.  Archivo  del Ecofondo. 

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En el “Proyecto de Gestión Ambiental Participativa para la Paz y el Desarrollo Sostenible en Colombia, ECOFONDO-ACDI” se trata de enfrentar las amenazas contra la integridad del tejido social de las comunidades más vulnerables y del medio natural en que habitan. Así, se hace explícito en el objetivo establecido de generar “un conjunto de propuestas ambientales alternativas establecidas y consolidadas por comunidades campesinas y étnicas en 10 regiones colombianas afectadas por la presencia de cultivos de uso ilícito, para el fortalecimiento de seguridad y soberanía alimentaria, control social del territorio e incidencia en políticas públicas, mediante estrategias de conservación ambiental, producción agroecológica y fortalecimiento organizativo”30. Sin duda la campaña y el referéndum por el agua son las iniciativas más ambiciosas para incidir en la política pública ambiental emprendidas por el Ecofondo en sus quince años de vida. Y, quizá, no existe en la historia del ambientalismo en Colombia unas iniciativas de mayor alcance y significado en materia de política pública que estas dos lideradas por el Ecofondo. 1.1.5 Día mundial del agua: la defensa del Santurbán, un compromiso irrenunciable31. El Día Mundial del Agua se origina en la Conferencia de las Naciones Unidas para el Medio Ambiente y el Desarrollo en Río de Janeiro (Brasil) del 3 al14 Junio de 1992, después de la cual, La Asamblea General de las Naciones Unidas adoptó el 22 de diciembre de 1992 la resolución mediante la cual el 22 de marzo de cada año, fue declarado Día Mundial del Agua. En la actual coyuntura, esta conmemoración resulta particularmente relevante en el Nororiente colombiano, por la lucha que actores sociales públicos y privados de Santander y Norte de Santander, hemos venido impulsando para defender la zona de reserva del Páramo de Santurbán, frente a las pretensiones de adelantar un proyecto de minería a cielo abierto Es innegable que el desarrollo mediante la explotación minera trae beneficios a una región, siempre y cuando se cumpla dentro de criterios de equidad, generación de empleo y adecuada redistribución de los ingresos obtenidos por regalías. Sin embargo, cuando los proyectos mineros implican riesgos y amenazas para el medio ambiente, la conservación del planeta debe primar sobre cualquier consideración.                                                              30

Sánchez, Enrique. “Evaluación de término medio. Proyecto de gestión ambiental participativa para la paz y   el  desarrollo  sostenible  en  Colombia.  ECOFONDO‐ACDI”.  Bogotá,  D.C:  Gobierno  de  Canadá,  Ecofondo,  Febrero 14 de 2008, pág. 4.  31 Nota de prensa publicada en el periódico “El Espectador”. “Greystar buscará alternativas en Santurbán”. Marzo 18 de 2.011. http://www.elespectador.com/economia/articulo-257770-greystarbuscara-alternativas-santurban

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Por el alto valor de los ecosistemas de la zona del Santurbán, donde nacen los principales afluentes hídricos del Nororiente colombiano, resulta totalmente inviable desde el punto de vista ambiental, la extracción minera en esa zona. Por esto resulta particularmente gratificante la defensa que la Corporación Autónoma Regional “Corponor” ha hecho de esta área, declarándola Parque Natural Regional, protegida de los intentos de explotación. Un primer resultado de la intensa movilización social en esta zona del país, ha sido la reciente declaratoria de la Compañía Multinacional “Greystar” de desistir de la explotación de minerales (oro y plata) en Santurbán. No obstante esta Compañía ha señalado que “estudiará la viabilidad de opciones alternativas para el proyecto y seguirá adelante con la evaluación del mismo y trabajará conjuntamente con el Ministerio de Ambiente, Vivienda y Desarrollo Territorial, así como con el Ministerio de Minas y Energía para resolver los temas pendientes alrededor de su intención de explotar el oro en ese páramo”. Lo anterior da pie a pensar que esta Compañía no cesará en sus esfuerzos para intentar continuar con sus proyectos de explotación minera en esta zona de reserva hídrica. Razón más que suficiente para que los entes públicos (Gobernaciones de los departamentos de Santander y Norte de Santander y Corporaciones Autónomas Regionales) y los actores sociales de la región, no bajemos la guardia y estemos muy atentos para defender nuestro derecho al agua y por ende, nuestro derecho a la vida. 1.1.6 Consideraciones finales.32 Se ha intentado ilustrar las dificultades que existen para “hacer más verde” al Estado colombiano, un fenómeno que es común en los países en desarrollo y desarrollados. El principal factor que favorece esa situación son los diferentes conflictos existentes, y no resueltos, entre los modelos de desarrollo económico y la protección ambiental, los cuales se reflejaron en el debilitamiento de la primera gran reforma ambiental que se efectúo en el país a principios de los años setenta. Estos conflictos se agudizaron a principios de la década de los noventa (Guimarães 2004), cuando al mismo tiempo que el concepto de desarrollo sostenible se consagró en el más alto nivel político, y se acordaron convenios y declaraciones ambientales históricos en la Conferencia de Río, en 1992, se estaban resolviendo las negociaciones finales de la Ronda de Uruguay, que concluyeron en la creación de la Organización Mundial de Comercio, conducente a acelerar la internacionalización de la economía (OECD331997). En muchos países en desarrollo la globalización ha incentivado grandes transformaciones en su aparato productivo, muchas veces con un impacto ambiental de consideración. Así se refleja en el caso de Colombia, que se está convirtiendo con gran velocidad en un país minero, y eventualmente se convertirá en un gran productor de agrocombustibles, dos actividades de alto impacto                                                              32 33

Revista de Estudios Sociales No. 32 rev.estud.soc.abril de 2009: Pp. 272. ISSN 0123‐885X Bogotá, Pp.18‐33.   OECD: Organization for Economic Cooperation and Development 

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ambiental. El hecho de que las exportaciones de Colombia se hayan multiplicado por cuatro, en términos absolutos, en los últimos seis años, indica cuán profunda está siendo esa transformación productiva en nuestro país. Y se puede afirmar que el debilitamiento de la institucionalidad y de la política ambiental, en los últimos seis años, corresponde a la visión según la cual para impulsar este modelo de crecimiento económico exportador, basado en gran parte en la inversión extranjera, es necesario quitar del camino aquellos obstáculos que, como muchas de las políticas y normas ambientales, puedan obstruir estos propósitos. Los actos de gobierno, expuestos a lo largo de este escrito, así como las reiteradas expresiones de los altos funcionarios del gobierno, de crear las condiciones más favorables para atraer la inversión extranjera y de facilitar las cuestiones ambientales, apuntan en esa dirección. Es una visión sobre lo ambiental que constituye un gran retroceso con relación a la que motivó la reforma de principios de los noventa y que, además, no tiene en consideración las más recientes formulaciones que ubican la sostenibilidad ambiental del desarrollo como uno de los objetivos fundamentales de toda sociedad, en el contexto del capitalismo globalizado. Pero es necesario subrayar que el debilitamiento de la política ambiental se asocia también con la concentración del gobierno en la política de seguridad democrática, un factor que, en general, ha restado recursos no sólo a aquella política, sino también, a las políticas sociales. ¿Cambió de rumbo de la política ambiental en el período 2006-2010?34 No obstante el récord registrado en el período 2002-2006, el Gobierno ha presentado al Congreso Nacional el Proyecto de Plan Nacional de Desarrollo 2006-2010. “Estado Comunitario: Desarrollo para Todos” que en su contenido y su forma implica un cambio muy positivo en relación con el medio ambiente si lo comparamos con el Plan de Desarrollo del primer mandato del presidente Uribe. En primer término, al tema ambiental se dedica un capítulo especial titulado “Una gestión ambiental y del riesgo que promueva el desarrollo sostenible”. Se trata de un cambio significativo en relación con el Plan 2002-2006, en el cual el tema era materia de una pequeña sección de un capítulo general. Sin duda especializar un capítulo en el tema ambiental fue una positiva respuesta del Gobierno a las recomendaciones que sobre el particular efectuara el Consejo Nacional de Planeación35.                                                              34

Revista de Estudios Sociales No. 32 rev.estud.soc.abril de 2009: Pp. 272. ISSN 0123‐885X Bogotá, Pp.18‐33.    Se  anota  que  en  la  versión  del  proyecto  del  plan  que  el  Gobierno  presentó  a  consideración  del  Consejo  Nacional  de  Planeación  el  tema  ambiental  se  incorporaba  conjuntamente  con  otros  diez  en  un  capítulo  denominado  temas  transversales.  En  el  concepto  rendido  por  el  CNP  (2007)  se  solicitó  al  Gobierno  que  se  desarrollara  un  capítulo  especializado  en  el  tema  ambiental  argumentando  para  el  efecto  los  mandatos  constitucionales  y  legales  referentes  al  lugar  que  debe  ocupar  en  el  proceso  de  planificación  nacional  y  territorial  y,  en  general,  en  el  desarrollo  del  país.  La  profesora  Eugenia  Ponce  de  León,  de  la  Universidad  Externado  de  Colombia,  actuó  como  secretaria  técnica  para  la  elaboración  del  concepto  en  materia  ambiental.  35

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1.2 RECURSOS ENERGÉTICOS36 La utilización de las nuevas fuentes de energía (carbón, petróleo, gas natural, hidroelectricidad, energía nuclear, energía eólica, biomasa, etc.) constituye la causa y efecto del sorprendente desarrollo económico que se opera en el mundo y que se conoce como Revolución Industrial. En la vida moderna, la energía puede tener muchas aplicaciones: En la industria. • Como elemento motriz. • En diversos procesos (calor, frío, electrólisis). • En la movilización de productos dentro de la fábrica. • Conservación de productos. En la agricultura. • Mecanización de operaciones (máquinas motorizadas). • Motorización (tractor, cosechadora). • Conservación de productos y su transformación primaria (desgrane, molienda, etc.). • Transportes. • Electrificación rural. En la vida de la comunidad. • Abastecimiento de agua en edificios de pisos. • Cocción de alimentos. • Conservación de alimentos. • Iluminación pública y privada. • Confort y diversión. • Movilización y comunicaciones. 1.2.1 Fuentes no renovables o agotables. El término “fuentes de energía no renovables” hace referencia a fuentes de energía que no se pueden regenerar fácilmente y pueden agotarse definitivamente algún día, incluye carbón, petróleo gas natural y energía nuclear. Combustibles fósiles. • Carbones (antracita, hulla, lignito y turba). • Petróleo. • Gas natural. Esquistos bituminosos. • Fuentes renovables. • Energía directa del sol. (La indirecta actúa a través de la mayoría de las otras formas: plantas, carbón, petróleo, mareas, agua, vientos, etc.). • Energía hidráulica (ríos superficiales). • Energía eólica (vientos).                                                              36

UNIVERSIDAD NACIONAL DE LA PATAGONIA SAN JUAN BOSCO – delegación Ushuaia perspectiva espacio  temporal de la economía Argentina geografía – recursos energéticos 

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• Enerrgía del ma ar o mareom motriz (mare eas, olas). • Enerrgía geotérmica. • Biom masa. S Sobre las reservas de combu ustibles nu ucleares la as estimacciones disp ponibles t todavía son nincompleta as y mucha as de ellas desconocid d das por razo ones estrattégicas. En cuanto a la energ gía geotérm mica las re eservas so on enormess y prácticcamente i inagotables s alritmo qu ue es posib ble explotarrlas. Se callculan en 500 5 x 109ton neladas d carbóne de equivalente, pero solamente una muy reduccida proporrción es exp plotable p su difíc por cilaccesibiliidad.La disstribución mundial m de las reservas energétticas es m muy desigual. Entre Estado Un nidos deAm mérica, la ex Unión Soviética S y China p poseen má ás del 80 % de las rese ervas mund diales deca arbón y máss del 60 % de todo e petróleo conocido se el s encuentrra en Medio o Oriente. M Mientras la a población mundial pa asó de 1.50 00 millones en 1900 a 5.200 millo ones en 1990 (3,5 veces v – 250 0 %), el gasto de energía saltó de d 750 millo ones de ton neladas e equivalente es de carbó ón a casi 11.000 millo ones; esto representa r un crecimiento de 15 veces, es decir, a un ritmo de 1.400 %. La exp pansión exttraordinaria a no se p produjo uniiformementte en todos los combu ustibles y fo ormas de en nergía. Es dable ob bservar un gradual de esplazamien nto del carb bón, que a principios del d siglo X proveía XX a casi la tota alidad de la a energía, 90 9 %, particcularmente e por el petrróleo, el g gas natura al y la enerrgía hidroeléctrica, ha asta llegar a la actua alidad en que sólo a abastece el e 32 % del consumo mundial, mientras m que e el petróle eo represen nta casi e 40 %, el gas el 24 % y la hidroelectricida el ad el 5 % como c se puede apreciar en la f figura 3. Figura a 3: reserva a, producc ción y cons sumo en ell mundo de e energías no renovab bles

Fuente e: http://ww ww.ceida.org g37                                                              3 37

 Disponible en internet en:  http://www.ce h eida.org/presttige/Documen ntacion/AMEL LPETROLEOY YLAENERGIA A281.03.03.p pdf 

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El territorio colombiano posee gran variedad de recursos naturales debido a su diversidad topográfica. Adicionalmente, Colombia cuenta con un gran potencial de recursos energéticos (carbón, principalmente en la Guajira). La explotación petrolífera es una de las actividades principales de la economía nacional y generadora de gran cantidad de divisas. Entre los recursos naturales de exportación se encuentran el oro, el níquel, el cobre, la plata, el platino y las esmeraldas. La larga variedad de pisos térmicos permite que exista una producción importante agrícola y de ganadería. La industria forestal y la pesca también son importantes38. 1.3 FLUJO DE ENERGÍA TERRESTRE.39 En el diagrama1 esquemático del sistema de flujo de energía de la tierra. Las fuentes de energía que se muestran son las únicas disponibles. Aparte de una pequeña cantidad de energía térmica proporcionada por la radioactividad en la corteza terrestre, almacenamiento de energía térmica en el núcleo y la energía gravitacional proporcionada por la luna a la tierra y las interacciones de la tierra del sol, la gran mayoría de la energía que llega a la superficie de la tierra proviene del sol. Incluso los combustibles fósiles en uso hoy, tienen sus orígenes en las reacciones de la fotosíntesis en los pantanos primitivos. No todo el flujo solar de cerca de 1.400W / m2 que cae sobre la tierra se utiliza; cerca de 30-40 por ciento se refleja directamente. La cantidad de este flujo que se refleja, denominada albedo, depende de las características de la superficie de la tierra: arena, nieve, mar, nubes, etc. Los grandes cambios en las propiedades reflectantes de la tierra, causadospor partículas en la atmósfera, por ejemplo, podrían tener un grave efecto sobre el presupuesto de energía de la tierra. La parte del flujo solar que no se refleja es absorbida, y parte de esta cantidad se vuelve a irradiar. El flujo de radiación, sin embargo, se encuentra en una longitud de onda de la radiación absorbida, como es el caso de la energía de los residuos (calor) de las plantas de generación eléctrica. El problema del suministro de una creciente demanda eléctrica sería fácil hasta cierto punto, si fuera posible convertir la energía solar de manera directa y eficiente en energía eléctrica.

                                                             38

www.colombia.com, el portal que une a los  colombianos,http://www.colombia.com/colombiainfo/infogeneral/rnaturales.asp  39 D. DEVINS, Energy its physical impact on the environment, John Wiley and Sons, New York.   

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Diagram ma 1: Diagrramaque demuestrala distribuc ciónde la energíaentr e relas d diversas fuentes ysum miderosen n latierra

Fuente: D. Devins, En nergy its ph hysical impa act on the environmen e nt, John Willey and Sons, New w York

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Esta conversión puede que se esté haciendo en algunos complejos con cierta eficiencia, pero en un grado insignificante en comparación con la cantidad de energía liberada por los combustibles fósiles, las fuentes de geofísica, y los reactores de fisión nuclear. Las entregas de estos combustibles pueden ser limitadas, sin embargo, las fuentes de energía del diagrama 1 son las únicas disponibles para la humanidad, por lo que sabemos. 1.4 COMBUSTIBLES FÓSILES. Es el término general para designar los depósitos geológicos de materiales orgánicos combustibles que se encuentran enterrados y que se formaron por la descomposición de plantas y animales que fueron posteriormente convertidos en petróleo crudo, carbón, gas natural o aceites pesados al estar sometidos al calor y presión de la corteza terrestre durante cientos de millones de años40. 1.4.1 Reservas de petróleo. Esta variable es la cantidad total de reservas comprobadas de petróleo crudo en barriles. Reservas comprobadas son las cantidades de petróleo que, mediante el análisis de datos geológicos y de ingeniería, se pueden estimar con un alto grado de confianza que pueden ser recuperables comercialmente a partir de una fecha determinada, de yacimientos explorados, y bajo las condiciones económicas actuales41. El modelo de consumo de energía de origen fósil, puesto en cuestión por los ambientalistas, no parece estar en peligro en América Latina y el Caribe, dado el gigantesco salto en las reservas probadas de petróleo en los últimos años.

                                                             40

EPA, Environmental Protection Agency, Disponible en internet en: http://www.epa.gov/energy/fossil.html  CIA World Factbook, Disponible  en internet en:  https://www.cia.gov/library/publications/the‐world‐ factbook 

41

93   

Figura F 4: Reservas R comprobad das de petrróleo en el mundo

Fuen nte: CIA Wo orldFactboo ok Las existen L ncias conoccidas de pe etróleo de la a región ya llegan a 20 0 por ciento o de los c casi 1,7 billlones de ba arriles que hay h bajo tie erra en el mundo. m Figura 5: Re eservas comprobada as de petró óleo en Sud damérica

Fuen nte: CIA Wo orldFactboo ok

94  

El abanderrado en Surramérica ess Venezuela, que en febrero f se convirtió c en n el país c con más cantidad c de e ese com mbustible en el subsu uelo del planeta al certificar c 2 297.000 millones de barriles, b gra acias el cru udo pesado o de la Franja del Orin noco. A c continuació ón se mue estran de manera gráfica lass reservass de petró óleo en S Suramérica a. 1.4.2 Rese ervas de ga as natural. Esta variab ble es la cantidad c to otal de rese ervas comp probadas de d gas nattural en m metros cúb bicos, figura a 6. Las re eservas co omprobadass son las cantidades c de gas n natural que e, mediante e el análisiss de datos geológicoss y de inge eniería, se pueden e estimar co on un altto grado de confia anza que pueden ser recup perables c comercialm mente a parrtir de una fecha dete erminada, de d yacimien ntos explorrados, y b bajo las condiciones económicas e s actuales422. Figura 6: Re eservas com mprobadas de gas natural n en el e mundo

Fuen nte: CIA Wo orldFactboo ok ento econó ómico que actualmentte vive Sud damérica, al igual qu ue otras El crecimie rregiones del d mundo, gracias al a impulso provocado o por el de esarrollo y mayor c consumo de d China e India, genera una mayor m dem manda de energía e y que q los p países del Cono Sur concentren c sus esfuerrzos en ase egurarse el abastecimiiento. El ex secre etario de la Organizacción Latinoa americana de Energía a (OLADE),, Álvaro Ríos, señala que este e gran moto or ha hecho que se produzca p un na gran de emanda, e especialme ente para La atinoaméricca, de mate erias primass, minerale es y energéticos, lo q provoc que có que sus precios sub ban en los últimos ú tress años.                                                              4 42

CIA World Fa actbook, https:///www.cia.govv/library/publiications/the‐wo orld‐factbook 

95  

En este co ontexto, en n la región n del Cono o Sur, figurra 7, dond de existe bastante b d demanda de d gas natu ural, Bolivia a y Perú, por p el volum men de suss reservas, se han c convertido en los pote enciales pa aíses prove eedores de el energético. El resto, Brasil, A Argentina, Chile, Urug guay, Parag guay y Ecua ador, ha qu uedado com mo consumidor. Figura 7: Reservas com mprobadas de gas na atural en Su udamérica a

Fuen nte: CIA Wo orldFactboo ok ervas de ca arbón43h 1.4.3 Rese Estas son las reservvas de carrbón duro en e todo ell planeta. En la figurra 8 se o observa qu ue Europa oriental y la l antigua Unión Soviética, cuen ntan con la a mayor c cantidad de d reservass. Estadoss Unidos es e el país que sigue en impo ortancia c carbonífera a y América a central y Sudaméricca son las zonas en el mundo con las r reservas más m bajas. Las reserv L vas de carrbón de Colombia C e están estim madas en 6611 6 millo ones de t toneladas. La Tabla 5 presenta la l producción por dep partamento y total del carbón, j junto con la as exportacciones totale es para los años 1999 9 a 2005.

                                                             4 43

 El mercado m mundial de carrbón, http://ww ww.catamutun n.com/produc//carbon/mundo o.html 

96  

Figura 8: Distribució D ón mundia al de las res servas de carbón du uro, en 1x1012 ton

Fuente: F http p://www.cattamutun.co om/produc/ccarbon/mun ndo.html Tabla 5:: Reservas s carbonífe eras de Colombia, miillones de toneladas (mt) ZONAS CA ARBONÍFER RAS

RECU URSOS Y RES SERVAS

TIPO DE D CARBÓN

MEDID DAS

INDICADAS

An ntioquia

90 0

225

T Térmico

Boyacá B

170.4

6 682.7

Térmico o y Coquizable e

Cauca C

16.4 4

66.8

T Térmico

Cesar

193 33

589

T Térmico

Córdoba C

381 1

257

T Térmico

Cund dinamarca

241.9

5 538.7

Térmico o y Coquizable e

Guajira G

90 0

-

T Térmico

N. Santander S

68 8

101

Térmico o y Coquizable e

Sa antander

57.1

114

Térmico o y Coquizable e

Valle del Cauca

20.1

22.4

T Térmico

TOT TAL PAÍS

6647 7.9

2 2596.6

Fuente: http://www.u h upme.gov.cco/guia_am mbiental/carb bon/areas/zzonas/indicce.htm 1.5 ENERG GÍA GEOFÍSICA. Debemosobservar el sistem made flujo o de energía e la a Tierra, para e encontrarfu uentesaltern nativasde energ gía. E Examinemo merolas s prim e energíasge eotérmica, la gravedad d, y la energ gía solar, vamos v aclassificarestassfuentes 97  

deenergíac d comogeofíssicas. La ca antidad dee energíadisp ponibleenesstastres fue entes es r relativamen ntefácilde calcular,en com mparaciónco onlos co ombustiblessfósiles. Examinemo os brevementelosm métodospor loscuale espuedela energíage eofísica c convertirse e en trabajo oútil. Posterriormente en e este doccumento disscuten algu unas de l lasconsecu uenciasamb bientalesdesubutilizaciión en un estudio e máss profundo. 1.5.1 Hidro oelectricida ad.44 El origen de d la energía hidráulicca está en el ciclo hid drológico de e las lluviass y, por t tanto, en la a evaporaciión solar y la climatolo ogía, que re emontan grrandes can ntidades d agua a zonas de z eleva adas de loss continente es alimenta ando los río os. Figura 9: 9 hidroeléc ctrica en Brasil B

Fuente: http://energ h giapetroleoyygasucv.blo ogspot.com m/2011/02/h hidroelectriccidadcreciente-pressencia.html Este proceso está orig ginado, de manera primaria, por la radiació ón solar que e recibe l Tierra. Estas la E cara acterísticas hacen que e sea sign nificativa en n regioness donde e existe una combinaciión adecua ada de lluvvias, desnivveles geoló ógicos y orrografía f favorable para p la co onstrucción de presa as. Es deb bida a la energía po otencial c contenida en e las masa as de agua a que transp portan los ríos, r proven nientes de la lluvia y del desh hielo. Puede e ser utilizzada para producir p en nergía elécctrica media ante un s salto de agua, como se s hace en las centrale es hidroeléctricas.                                                              4 44

UNIVERSIDAD D NACIONAL D DE COLOMBIA‐‐SEDE MEDELLÍN, Cátedra Lu uis Antonio Resstrepo Arango,, Segundo  ssemestre de 20 007: Antioquia a, Sociedad y Cu ultura 

98  

1.5.2 Energ gía eólica. Otra fuente de en O nergía geo ofísica que e tiene mucho m en común con la h hidroelectri cidad es la a energía eólica. La energía co ontenida en el viento o se ha u utilizado du urante algún tiempo en n los parqu ues eólicos para generrar electricidad. La m mayoría de e los gene eradores de e energía eólica son muy pequ ueños y tie enen la c capacidad de generacción de uno os pocos kilovatios y es útil sobrre todo en lugares a aislados. Sin S embargo esta tecnología se ha venido o desarrolla ando y cob bra gran i importancia a a medida a que aume enta la con ncientización en cuantto al excessivo uso d los combustibles fó de ósiles. La energía eólica es una L u de las opciones o m promete más edoras para a la genera ación de e electricidad d, con pron nóstico de crecimiento o optimistas para el futuro f cerca ano. La v ventaja de e la energ gía eólica es que genera ellectricidad sin produ ucir los c contaminan ntes asocia ados a los combustibles fósiles y a la enerrgía nuclea ar, entre e ellos, el má ás significattivo es el diióxido de ca arbono, el gas g de efeccto invernad dero. A Alemania asume a un papel p pione ero en el perfecciona p amiento de la tecnolog gía y la i implicación n de las cap pacidades usadas u en todo t el mun ndo (Tabla. 5). Tabla a 6: capacidad eólica a desde el 2004 2 al 200 08

Fuente:http://www.nocturnar.ccom/forum//medio-amb biente-y-eccologia/4800 024ventaja as-de-energ gia-eolica.h html La producc L ción de las instalacion nes de enerrgía eólica creció 100 0 veces en sólo 20 a años. Con la introduccción de in nstalaciones de 5 Mw w. la produ ucción ha vuelto v a a aumentar otras o 5 vecces más. Alrededor A d 1 a un 2 por ciento de la energía de p proveniente e del sol es convertida en energía eólica, la cual deriva del

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ccalentamiento diferencial de la atmósfera a y de las irre egularidade es de relievve de la s superficie terrestre. 1.5.3 Energ gía geotérm mica.45 La energía geotérmicca es el calor contenid L do en las capas c terresstres y suss fluidos i internos. Esto E lo dife erencia de otras fuen ntes de en nergía terre estre, taless como: C Combustibl les fósiles, Biomasa, energía solar y la a energía hidroeléctrrica, La e energía eólica. Figura 10: fuente de energía e geo otérmica

Fuente e: http://www w.bolsasisttemas.com//ecosystem m/ciencia/tag/electricidad/ La energía L a geotérmicca se almacena como o calor sen nsible o late ente, sumin nistrado t tanto por fu uentes inte ernas y exte ernas; reprresenta una a fuente inm mensa de energía q que sólo comenzó c a ser explottada por el hombre para p la cale efacción, calor c de p proceso, y la genera ación de energía e eléctrica. Lass opciones y desafíoss en la t transformac ción de estte prometed dor potencial es enco ontrar tecno ologías ope erativas, e eficientes y económica as para su explotación n. 1.5.4 Energ gía solar. Desde el punto p de vista energé ético, la ma asa solar qu ue por seg gundo se irradia al e espacio en forma de partículas p d alta energía y de ra de adiación ele ectromagné ética es 35 a aproximada amente de 5,6 x 10 GeV G y de ella, e la Tierrra recibe en el exterio or de su 2 a atmósfera e 1,73 x 10 014 kW, o sea s 1,353 kW/m k , que e se conoce como un total de                                                              4 45

Geothermal  Energy,  In:  K.  Heinloth  (ed),  Landolt‐‐Börnstein,  Grroup  VIII:  Ad dvanced  Mateerials  and  T Technologies,  newable Energiies, Springer Veerlag, Heidelbeerg‐Berlin,  Vol. 3: Energy Technologies, Subvol. C: Ren 4 493‐604.

100  

constante solar y cuyo valor fluctúa en un ±3% debido a la variación periódica de la distancia entre la Tierra y el Sol. Los 1,73 x 1014 kW de energía solar que inciden sobre la Tierra, se reparten en la siguiente forma: • Energía Solar reflejada por la atmósfera hacia el espacio exterior: 30%, 0,52 14 x 10 kW. • Energía solar que se utiliza en calentar la atmósfera: 47%, 0,80x1014 kW. • Energía solar que se utiliza en la evaporación de los océanos: 23%, 0,40 x 14 10 kW. • Energía solar que se utiliza en generar perturbaciones atmosféricas, como el viento: 0,0037 x 1014 kW. • Energía solar utilizada en la fotosíntesis: 0,0004 x 1014 kW. 1.6 ENERGÍA NUCLEAR. La energía nuclear procede de reacciones de fisión o fusión de átomos en las que se liberan gigantescas cantidades de energía que se usan para producir electricidad. La energía puede ser usada para fines pacíficos o bélicos. En 1956 se puso en marcha, en Inglaterra, la primera planta nuclear generadora de electricidad para uso comercial. Figura 11: Energía nuclear en el mundo

Fuente:http://www.diarionegocio.es/empresas/gas-natural-y-renovables-la-mezclaperfecta-sustituir-la-nuclear-20110320

101   

Estas reacciones se dan en los núcleos de algunos isótopos de ciertos elementos químicos, siendo la más conocida la fisión del uranio-235 (235U), con la que funcionan los reactores nucleares, y la más habitual en la naturaleza, en el interior de las estrellas, la fusión del par deuterio-tritio (2H-3H). Sin embargo, para producir este tipo de energía aprovechando reacciones nucleares pueden ser utilizados muchos otros isótopos de varios elementos químicos, como el torio-232, el plutonio-239, el estroncio-90 o el polonio-210 (232Th, 239Pu, 90Sr, 210Po; respectivamente46.

                                                             46

Nuclear Engineering Handbook (Mechanical Engineering) 

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PARTE II PROCESOS DE CONVERSIÓN DE ENERGÍA CAPÍTULO 2: PRINCIPIOS TERMODINÁMICOS 2.1 Conceptos de termodinámica. 2.2 Ley Cero de la termodinámica. 2.3 Primer principio de la termodinámica. 2.4 Segundo principio de la termodinámica. 2.5 Principio de energía CAPÍTULO 3: MAQUINAS TÉRMICAS 3.1 Motores de combustión interna. 3.2 Turbinas. 3.3 Motores de combustión externa. 3.4 Refrigeración. CAPÍTULO 4: PROCESOS DE CONVERSIÓN DE ENERGÍA 4.1 Conversión química. 4.1.1 Conversión electroquímica. 4.1.2 Celdas de combustible. 4.1.3 Eficiencia de la conversión química. 4.1.4 Acumulador eléctrico o pila. 4.1.5 Impacto en el medio ambiente. 4.2 Conversión fotovoltaica. 4.2.1 Tipos de células fotovoltaicas. 4.2.2 Coeficiente de absorción en función de la longitud de onda. 4.2.3 Respuesta espectral. 4.2.4 Características del voltaje. 4.2.5 Aplicaciones de la tecnología fotovoltaica. 4.2.6 Tendencias actuales CAPÍTULO 5: ENERGÍA EÓLICA 5.1 Energía eólica. 5.2 Recurso eólico. 5.3 Potencia específica del viento. 5.4 Velocidad del viento. 5.5 Estimación de la energía eólica. 5.6 Valores actuales y proyecciones a futuro. 5.7 Sistema de almacenamiento. 5.8 Curva de potencia. 5.9 Consideraciones medioambientales y mantenimiento. 5.10 Aspectos económicos y de gestión. 5.11 Energía eólica en Colombia. 5.12 Ventajas y desventajas de la energía eólica.

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CAPÍTULO 6: HIDROELECTRICIDAD. 6.1 Central hidroeléctrica. 6.2 Energía hidráulica en el mundo. 6.3 Energía hidráulica en Colombia. 6.4 La minihidroeléctrica en el mundo. 6.5 Impacto de las represas 6.6 Impactos ambientales 6.7 Impacto socioculturales. 6.8 Beneficios de la energía hidráulica CAPÍTULO 7: MAGNETOHIDRODINÁMICA. 7.1 Que es la Magnetohidrodinámica 7.2 Ecuaciones de la Magnetohidrodinámica 7.3 Tipos de ciclos Magnetohidrodinámica 7.4 Las instalaciones Magnetohidrodinámica U-25

104   

CAPÍTULO 2 ELEMENTOS DE TERMODINÁMICA La termodinámica esuntemaapasionanteyfascinanteque se ocupadela energía,quees esencialpara elsustento de lavida.Latermodinámicahasido durante mucho tiempouna parteesencialdelos programasde ingenieríaen todoelmundo.Tieneunaamplia área de aplicaciónvandesdeorganismosmicroscópicoscomunesa los aparatos domésticos, vehículos de transporte, sistemasde generación de energía, e incluso la filosofía. El trabajose puede convertir fácilmentea otras formasdeenergía, pero convertir éstas en trabajo no es fácil. El trabajo mecánico que realiza una hélice en un recipiente con agua, por ejemplo, se convierte primero en la energía interna del agua, energía que puede entonces salir del agua como calor. Se sabe por experiencia que cualquier intento por revertir este proceso fallará, es decir, transferir calor al agua no causa que la hélice gire. De ésta y otras observaciones se concluye que el trabajo se puede convertir en calor de manera directa y por completo, pero convertir calor en trabajo requiere usar algunos dispositivos especiales. Estos dispositivos se llaman maquinas térmicas47.

                                                             47

CENGEL, Yunus A y BOLES, Michael A, Termodinámica, Mc Graw Hill, edición, 2009 

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INTRODUCCIÓN Tal y como postula el primer Principio de la Termodinámica, la energía no se crea ni se destruye, simplemente se transforma. La energía puede transformarse de una forma a otra, como por ejemplo de electricidad a calor o de calor a electricidad. Aunque el que pueda convertirse no significa que sea éste un proceso siempre fácil y tampoco que una de las conversiones será más costoso que la otra. Algunos de estos procesos de conversión son la conversión química y fotovoltaica, además de la hidroelectricidad y energía eólica, puestas a prueba en este momento gracias al auge del pensamiento ambiental. Un Campo de la física que describe y relaciona las propiedades físicas de sistemas macroscópicos (conjunto de materia que se puede aislar espacialmente y que coexiste con un entorno infinito e imperturbable) de materia y energía. El estado de un sistema macroscópico en equilibrio puede describirse mediante variables termodinámicas, propiedades medibles como la temperatura, la presión o el volumen. Es posible identificar y relacionar entre sí muchas otras variables (como la densidad, el calor específico, la compresibilidad o el coeficiente de expansión térmica), con lo que se obtiene una descripción más completa de un sistema y de su relación con el entorno. Cuando un sistema macroscópico pasa de un estado de equilibrio a otro, se dice que tiene lugar un proceso termodinámico.48 La materia está en uno de los tres estados: sólido, líquido o gas: En los sólidos, las posiciones relativas (distancia y orientación) de los átomos o moléculas son fijas. En los líquidos, las distancias entre las moléculas son fijas, pero su orientación relativa cambia continuamente. En los gases, las distancias entre moléculas, son en general, mucho más grandes que las dimensiones de las mismas. Las fuerzas entre las moléculas son muy débiles y se manifiestan principalmente en el momento en el que chocan. Por esta razón, los gases son más fáciles de describir que los sólidos y que los líquidos 2.1 CONCEPTOS DE TERMODINÁMICA. La energía, palabra griega que significa fuerza en acción, o capacidad para producir trabajo, es el protagonista principal de la termodinámica. La termodinámica es la ciencia que estudia la conversión de unas formas de energías en otras. En su sentido etimológico, podría decirse que trata del calor y del trabajo, pero por extensión, de todas aquellas propiedades de las sustancias que guardan relación con el calor y el trabajo49. La termodinámica se desarrolla a partir de cuatro principios o leyes:                                                              48 49

Disponible en internet en: http://www.sc.ehu.es/sbweb/fisica/estadistica/termo/Termo.html   Introduction_to_Chemical_Engineering_Thermodynamic‐Smith Vannes, pages 54‐69 

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• principio cero: permite definir la temperatura como una propiedad. • primer principio: define el concepto de energía como magnitud conservativa. • segundo principio: define la entropía como magnitud no conservativa, una medida de la dirección de los procesos. • tercer principio: postula algunas propiedades en el cero absoluto de temperatura. 2.1.1 Conceptos y definiciones 2.1.1.1 Sistema.Es una porción del universo objeto de estudio. Un sistema es una región restringida, no necesariamente de volumen constante, ni fija en el espacio, en donde se puede estudiar la transferencia y transmisión de masa y energía. Se debe definir cuidadosamente50. Todo sistema queda limitado por un contorno, paredes, fronteras o límites del sistema, que pueden ser reales o imaginarios. También se llaman superficie de control. La frontera separa el sistema del resto del universo; esta frontera puede ser material o no. A través de la frontera suceden los intercambios de trabajo, calor o materia entre el sistema y su entorno. El medio rodeante o entorno es la parte del universo próxima al sistema y que se ve afectada en alguna medida por los procesos que ocurren en el sistema. El universo es todo lo accesible a nuestro experimento. Para el termodinámico, el universo está formado por el sistema examinado y su entorno con el que es capaz de interaccionar en su evolución. Por convenio, el universo para el termodinámico es un sistema aislado. 2.1.1.2 Tipos de sistemas Los sistemas se clasifican según cómo sea la pared que los separa del entorno. En función de sus paredes o límites, un sistema puede ser51: • Cerrado. • Abierto. • Rígido. • Adiabático. • Aislado. 2.1.1.3 Propiedad y estado • Propiedad es cualquier magnitud física evaluable de un sistema52. • El estado de un sistema está definido por el conjunto de propiedades (temperatura, presión, composición, etc.) que caracterizan este sistema, pero no por su entorno ni por su historia.                                                              50

 Disponible en internet en:http://www2.udec.cl/~jinzunza/fisica/cap15.pdf  Disponible en internet en: http://dspace.unav.es/dspace/bitstream/10171/5185/1/Termo_0607.pdf  52  TERMODINÁMICA,  YUNUS A. CENGEL, 6th edición, paginas 124‐136  51

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Algunas propiedades que definen el estado del sistema son independientes; por tanto, es posible escoger arbitrariamente algunas magnitudes como variables de estado, y considerar otras como funciones de esas variables de estado. Los siguientes términos son sinónimos: propiedad, variable de estado, función de estado. 2.1.1.4 Propiedades extensivas e intensivas.Propiedades extensivas: Son aquellas que dependen de la masa del sistema, por ejemplo el volumen, y todas las clases de energía.

Propiedades intensivas: Se definen en un punto. Son independientes del tamaño, masa o magnitud del sistema: por ejemplo la presión, temperatura, viscosidad y altura. Las propiedades extensivas se convierten en intensivas si se expresan por unidad de masa (propiedad específica), de moles (propiedad molar) o de volumen (densidad de propiedad). 2.1.1.5 Estado termodinámico.53Estado termodinámico es una condición del sistema definida por determinados valores de sus propiedades termodinámicas. Estados idénticos de un sistema, presentan los mismos valores en sus propiedades, independientemente del proceso o transformaciones que haya podido efectuar para alcanzarlo. 2.1.1.6 Estado de Equilibrio.54Un sistema está en equilibrio cuando no tiene tendencia por sí mismo para cambiar su estado, y por tanto sus propiedades. Para comprobar si un sistema está en equilibrio habría que aislarlo (imaginariamente) y comprobar que no evoluciona por sí solo. Si un sistema no posee en su interior fuerza alguna no equilibrada y las que ejerce a través de sus fronteras (si éstas no son rígidas) se equilibran con las del exterior que actúan sobre él, se encontrará en equilibrio mecánico; si la temperatura es uniforme en la totalidad del sistema y es la misma que la de su medio rodeante (cuando sus paredes sean diatérmicas) se encontrará en equilibrio térmico; cuando la composición química de un sistema permanece sin alteración lo tendremos en equilibrio químico; si no hay flujo de carga eléctrica a través de sus paredes y su carga interna es constante habrá equilibrio electrostático. 2.1.1.7 Equilibrio Termodinámico.Un sistema está en equilibrio termodinámico cuando satisface las condiciones de todos los equilibrios parciales. En el sistema no habrá flujo de energía, materia, ni carga, etc., permaneciendo ellas y la composición, constantes en el interior.Cuando se produce una variación                                                              53 54

 TERMODINÁMICA  YUNUS A. CENGEL 6th edición, paginas 158   TERMODINÁMICA  YUNUS A. CENGEL 6th edición, paginas 159 

108   

de una o de d d varias o de todas la as propieda ades del sistema, se dice que se e da un c cambio de estado o proceso. 2.1.1.8 2 Proceso oUn sistema experime enta un pro oceso, cuando se verrifica un c cambio de estado. Un n cambio de e estado pu uede conse eguirse por distintos prrocesos a saber:55 • Proc ceso cíclico o. • Proc ceso cuasie estático. • Proc ceso no esttático. • Proc ceso reverssible. • Proc ceso irreverrsible. En la figura a 12 podem mos ver (a) Proceso no estático ode expanssión de un gas. Al r retirar la fijjación, el sistema s deja de estarr en equilib brio, y evolu uciona por sí solo h hasta alcan nzar un nue evo estado o de equilib brio. Los esstados interrmedios no son de e equilibrio. (b) ( Proceso o cuasiestá ático de exxpansión de e un gas. La fuerza exterior ( (peso de la arena) se va red duciendo infinitesima almente. To odos los estados e i intermedios s son de eq quilibrio. Fig gura 12: prrocesos y cambios de d estado

Fuente e: http://www w.eugenio.unlugar.com/Saber%2 20mas%20 0Principio1.pdf

                                                             5 55

Disponible en n internet en: h http://dspace.u unav.es/dspace/bitstream/10 0171/5185/1//Termo_0607.p pdf 

109  

2.1.1.9

Volumen, volumen específico y densidad.56

Estas propiedades se pueden definir de la siguiente manera: • Volumen (V) es el espacio que ocupa una sustancia; se mide en metros cúbicos (m3). • Volumen específico (v) es el espacio que ocupa la unidad de masa de una sustancia; se mide en metros cúbicos por kilogramo (m3/kg). • Densidad (ρ) es la masa de la unidad de volumen de una sustancia; se mide en kilogramos por metro cúbico (kg/m3). 2.1.1.10

Presión.

La presión se define como la fuerza por unidad de superficie ejercida por un fluido sobre una superficie real o imaginaria, en dirección normal a la superficie. En unidades SI la presión se mide en newton por metro cuadrado (N/m2), unidad denominada Pascal (Pa). En relación con la presión atmosférica, que es una referencia habitual, el N/m2 resulta una unidad demasiado pequeña, por lo que se suele utilizar el bar. 2.1.1.11

Temperatura y la Ley Cero

La temperatura es una propiedad esencial en Termodinámica. Su determinación cuantitativa (medida) se realiza con instrumentos llamados termómetros. La Ley Cero de la Termodinámica postula que es posible medir la temperatura, es decir, que la temperatura es una propiedad57. Suponemos dos subsistemas A y B cerrados de paredes adiabáticas, definidos respectivamente por sus variables de equilibrio x1 A, y1 A, x1 B, y1 B, ambos independientes entre sí. Si se sustituye la pared adiabática que los separa por otra diatérmica se observa experimentalmente que se rompe el equilibrio existente y cada sistema varía su estado hasta alcanzar estados de un nuevo equilibrio, que llamaremos de equilibrio térmico. 2.2 LEY CERO DE LA TERMODINÁMICA Consideramos ahora tres subsistemas A, B y C, separados dos de ellos, A y B, por una pared adiabática, y C separado de A y B por paredes diatérmicas. Se observa experimentalmente que si, en virtud del equilibrio térmico, A-C y B-C están en equilibrio térmico, también lo están A-B, a pesar de no estar separados por una pared diatérmica, lo cual podría comprobarse permutando el tipo de pared entre AB-C. Esto equivale a decir que la propiedad "equilibrio térmico" es transitiva, es                                                              56 57

 TERMODINÁMICA,  YUNUS A. CENGEL, 6th edición, 145‐149   Termodinámica‐ Moran & Shapiro‐  Fundamentals of Engineering Termodynamics, pages 187‐195 

110   

decir: “Si dos sistemas A y B están en equilibrio térmico cada uno de ellos con un tercero C, los sistemas A y B están en equilibrio térmico entre sí.58” Esto constituye el llamado Principio Cero de la Termodinámica, por el cual la existencia del equilibrio térmico entre dos sistemas puede verificarse a través de un sistema intermedio llamado termómetro, sin necesidad de que los dos sistemas estén necesariamente en contacto a través de una pared diatérmica. 2.2.1 Trabajo en sistemas termodinámicos La termodinámica define el trabajo de la siguiente manera: Trabajo es una interacción entre dos sistemas tal que cualquier cambio en cada sistema y su entorno podría haberse producido, exactamente, con el único efecto externo a ese sistema, del cambio en la altura de una masa en un campo gravitatorio. Es decir, un sistema realiza trabajo sobre su entorno si los efectos de la interacción pueden reducirse exclusivamente al levantamiento o reducción de altura de un peso. El trabajo es, por definición, una interacción; por tanto, requiere al menos de dos sistemas. En consecuencia, no hay trabajo si sólo se considera un sistema (sistema aislado). No todas las interacciones son en forma de trabajo. Para que una interacción se considere que es trabajo debe pasar el test expresado en la definición. 2.2.2 Medida del trabajo, Convenio de signos y notación El objeto de estudio de la Termodinámica es el sistema, y más en concreto los sistemas productores de energía. Por esta razón, el convenio de signos empleado es el contrario al de la Mecánica: para un sistema que realiza trabajo sobre su entorno, el trabajo se define como positivo59. Este cambio se usa para medir la interacción de trabajo de un sistema con su entorno: ∆

∆

• 0 = trabajo realizado por el sistema hacia el entorno (levantamiento de un peso en el entorno, Δz > 0). • 0 = trabajo realizado sobre el sistema desde el entorno (disminución de altura de un peso en el entorno, Δz < 0). El trabajo no es una diferencial exacta, sino una forma diferencial. Es una función de línea, no una función de estado. Está asociado a procesos y se manifiesta en la                                                              58 59

 Fundamentos de Termodinámica ‐ 6ta Edición ‐ Sonntag, Bognakke, Van Wylen, pages 174‐184   TERMODINÁMICA,  YUNUS A. CENGEL, 6th edición, paginas 196 ‐199 

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ffrontera de el sistema, no es una propieda ad del sistema. El trrabajo totall en un p proceso se e calcula co on la integrral de línea a a lo largo o de ese prroceso, y depende d camino: del

En cambio,, la variació ón de una fu unción de estado e no depende d de el camino sino sólo d los esta de ados inicial y final. Po or ejemplo,, en el casso del volum men sí se cumple q que:

2.2.3 Traba 2 ajo en siste ema comp presible S conside Se era un siste ema cerrad do formado o por un ga as comprim mido, contenido en u cilindro cubierto por un p un pistón pesado o. Se retira a la fijación n que manttiene el p pistón en su lugar, y se s verifica un u proceso.. F Figura 13: Proceso de d expansión no está ática en un n sistema compresib c le

Fuente e: http://www w.eugenio.unlugar.com/Saber%2 20mas%20 0Principio1.pdf Si el pistón S n asciende, el gas se expande, e re ealizando un u trabajo sobre s su en ntorno60. El trabajo hecho h por el e gas se mide m con ell cambio de e altura en el entorno, o sea, e el propio en o pistón (sin n considera ar el efecto de la presión atmosfé érica):

                                                             6 60

Disponible en n internet en: h http://dspace.u unav.es/dspace/bitstream/10 0171/5185/1//Termo_0607.p pdf 

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2 2.2.4 Traba ajo cuasies stático El trabajo se s calcula como el prroducto de una fuerza a generaliza ada por el cambio e un des en splazamientto generaliizado. El producto p d ambas magnitudess es el de t trabajo realizado, ver tabla 7. L fuerza generalizad La g da o fuerza impulsora es una pro opiedad inttensiva que e puede c cambiar o no durante e la interaccción de tra abajo. Por otro lado, el e desplaza amiento g generalizad do es una a propiedad d extensivva que deb be cambia ar para que haya i interacción cuasiestáttica de tra abajo. Por tanto, el desplazamie d ento se ussa para c caracteriza ar el tipo de trabajo, y se s denomin na parámettro de trabaj ajo cuasiesttático61. Ta abla 7: Mod dos de trab bajo cuasie estáticos

Fuente: Loss autores F Figura 14 4: El trabajjo cuasiestático es el e área bajo o la línea de d estados en el plano P-v. P

Fuente: http://dspac h ce.unav.es/d dspace/bitsstream/10171/5185/1/T Termo_060 07.pdf                                                              6 61

 http://www.eugenio.unlug gar.com/Saberr%20mas%20P Principio1.pdf 

113  

Por ejemplo, en trabajo de compresión, δW = PdV, la fuerza impulsora, P, es una propiedad intensiva. La presión puede cambiar o permanecer constante durante la interacción. Por otro lado, el volumen debe cambiar durante el proceso para que haya una interacción de trabajo no nulo. De este modo, el volumen es el parámetro de trabajo cuasiestático para este tipo de trabajo, ver figura 14. 2.3 PRIMER PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA El Primer Principio de la Termodinámica coincide esencialmente con el principio de conservación de energía. Sin embargo, veremos a continuación que la Primera Ley, tal como la postula la Termodinámica, no presupone los conceptos de energía, trabajo y calor, sino solamente el de trabajo; a partir de él, se deducen los conceptos de energía y de calor62. 2.3.1 Procesos adiabáticos Un proceso adiabático es aquél en el que sólo hay interacciones entre el sistema y el entorno en forma de trabajo. Hay procesos en que ni siquiera hay interacciones en forma de trabajo (sistema aislado); pero lo que define un proceso adiabático es que, si hay interacciones, sólo pueden ser en forma de trabajo. Pared adiabáticaes aquella a través de la cual sólo puede haber interacciones de trabajo. Si las paredes de un sistema son adiabáticas, sólo puede experimentar procesos adiabáticos. 2.3.2 El primer principio El Primer Principio se formula para procesos adiabáticos. Un determinado cambio de estado en un sistema se puede conseguir con procesos muy distintos, en los que –en principio– el trabajo tendrá distinto valor según sea el camino recorrido en cada proceso. Sin embargo, si el proceso es adiabático, se observa que el trabajo aportado (es decir, el cambio de altura de un peso en el entorno) es siempre el mismo, con independencia de cómo sea el proceso. Esta observación experimental constituye el Primer Principio de la Termodinámica63. El trabajo de un sistema para cualquier proceso adiabático, entre dos estados dados, depende solamente de los estados inicial y final, y no del camino recorrido.Luego si en sistemas adiabáticos el trabajo depende sólo del estado inicial y final y no de los detalles del proceso, se puede emplear para definir una                                                              62

 Introduction_to_Chemical_Engineering_Thermodynamic‐Smith Vannes  Termodinamica‐ Moran & Shapiro‐  Fundamentals of Engineering Termodynamics 

63

114   

propiedad. De este modo, el trabajo adiabático se emplea para definir una propiedad llamada energía. Más formalmente: La energía, E, es una propiedad cuya variación se mide por el trabajo adiabático entre dos estados dados. El cambio de energía en un ciclo es cero, como para cualquier propiedad. Existe un convenio de que la energía de un sistema aumenta cuando el trabajo es negativo, es decir, el entorno realiza trabajo sobre el sistema: ∆ Por tanto, puede decirse que un sistema rodeado de paredes adiabáticas es un sistema conservativo. 2.3.3 Procesos no adiabáticos En procesos no adiabáticos la variación de energía, ΔE, no tiene por qué coincidir con la entrada de trabajo (–W), y es necesario corregir la ecuación anterior para tener en cuenta otras posibles interacciones que no son trabajo. Estas interacciones se denominan calor, Q64. De este modo, el aumento de energía de un sistema en un proceso es igual a la suma de entradas de calor y trabajo al sistema: ó bien La ecuación anterior es el principio de conservación de la energía para un sistema que experimenta interacciones con su entorno. 2.3.4 Trabajo, calor y energía65 Trabajo, calor y energía tienen las mismas dimensiones y la misma unidad de medida. La unidad básica de energía es el julio (J), que es el trabajo necesario para elevar un peso de 1 newton una altura de 1 metro. Otras unidades son el KJ, Btu (British termal unit), kWh (kilovatio-hora). La energía describe una propiedad cuyo valor es distinto para cada estado. Por otro lado, calor y trabajo son interacciones y no propiedades; por tanto, es imposible asignar un valor al trabajo o calor de un estado. Sólo se pueden medir en un cambio de estado. La notación empleada para describir estas magnitudes refleja estos conceptos. El cambio elemental de energía entre dos estados adyacentes se denota como , que es una diferencial exacta desde el punto de vista matemático.                                                              64 65

 Fundamentos de Termodinámica ‐ 6ta Edición ‐ Sonntag, Bognakke, Van Wylen   TERMODINÁMICA  YUNUS A. CENGEL 6th edición, paginas 254‐265 

115   

2.3.5 La energía interna La energía de un sistema se puede dividir en dos términos: unos que dependen de toda la masa del sistema respecto a unas coordenadas externas (es decir, la energía cinética y la energía potencial) y el resto de la energía, llamada energía interna, U.

Por unidad de masa,

⁄

2

El significado físico de la energía interna es la suma de las siguientes contribuciones: • Energía cinética de traslación de las moléculas. Esta es la forma dominante en los gases. • Energía cinética de rotación de las moléculas. Dominante en líquidos. • Energía cinética de vibración de los átomos en la estructura cristalina. Dominante en sólidos. • Energía química de enlace entre átomos, energía de enlace entre núcleo y electrones. Sólo se manifiestan cuando hay reacciones químicas. • Otras contribuciones: energía de enlace entre partículas del núcleo (se manifiesta en reacciones nucleares), energía de enlace entre las partículas subatómicas, etc. De lo dicho se deduce que no existe un nivel cero absolutos de energía interna. 2.3.6 El calor El calor es una interacción entre dos sistemas que no es en forma de trabajo, y que modifica la energía del sistema. Por experiencia se conoce que la causa de un flujo de calor es una diferencia de temperatura entre dos sistemas. 2.3.6.1 Convenio de signos y notación El criterio de signos es contrario al que hemos establecido para el trabajo: calor comunicado al sistema, positivo. • •

Q > 0: calor comunicado al sistema desde el entorno. Q < 0: calor retirado del sistema desde el entorno.

116   

Lo mismo que el trabajo, el ca L alor es una a función de d línea, no n una funcción de e estado. Su valor depe ende del camino recorrrido66. L velocida La ad de transfferencia de e calor es ell calor por unidad u de tiempo, t ; El flujo de calor c es el calor c transm mitido por unidad u de área, á ; Figura F 15: Criterio de e signos pa ara el calor y para el trabajo

F Fuente: Loss autores 2 2.3.7 La su ustancia pu ura67 En el tema anterior se e ha planteado la Prim mera Ley de e la Termod dinámica, aplicada a a sistemas cerrados. Para poderr emplearla a, y así calccular la inte eracción de calor o t trabajo en un u proceso o, es preciso o conocer el e valor num mérico de la as propieda ades de l sustanc las cias (presió ón, volumen n, temperattura, energíía interna y entalpía), y cómo u unas propie edades dep penden de otras. de estado 2.3.7.1 El postulado 2 p o68. El esta ado de un sistema s vie ene definido o por el c conjunto de d todas sus s propied dades. Sin n embargo o, muchas propiedades son f función de otras. Es necesario n de eterminar cuántas c pro opiedades hay h que esttablecer p para defin nir complettamente un u sistema a, es deciir, cuántasspropiedade es son i independie entes. La elección e de e cuáles son s las variables que e tomamoss como i independie entes es –en n principio– – arbitraria.                                                              6 66

Fundamentos de Termodinámica ‐ 6ta Ed dición ‐ Sonntag g, Bognakke, V Van Wylen   http://dspacce.unav.es/dsp pace/bitstream m/10171/5185//1/Termo_0607 7.pdf  6 68  TERMODINÁ ÁMICA  YUNUS A. CENGEL 6th h edición  6 67

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En realidad este postulado establece que el número de propiedades independientes es el número de formas distintas de cambiar la energía de un sistema: calor y cada uno de los modos de trabajo cuasiestático. Por ejemplo: • • •

Trabajo de cambio de volumen (trabajo de compresión o expansión). Trabajo de cambio de potencial (trabajo eléctrico). Trabajo de cambio de campo magnético (trabajo magnético), etc.

Se llaman sistemas simples aquéllos en los que sólo se considera un tipo de trabajo cuasiestático; por tanto, sólo se necesitan dos propiedades para determinar su estado termodinámico.69 Sistema simple compresible es aquél en el que sólo se considera el trabajo de compresión y expansión . 2.3.7.2 La relación P-V-T.En general, las relaciones PVT para una sustancia pura se hacen muy complejas en los estadoscondensados de la materia y cuando coexisten en equilibrio diferentes estados físicos. Espor ello que no se conocen relaciones satisfactorias para líquidos y sólidos. Mientras quepara el estado gaseoso, se han propuesto algunas relaciones 2.3.8 Procesos simples.En este apartado haremos una descripción de la superficie presión-volumen-temperatura de un sistema simple compresible (una sustancia pura). La topología de la superficie Pv-T se obtiene a partir del estudio de procesos simples, según los tres ejes coordenados: procesos isobaros, isocoros e isotermos. En estos procesos se puede además medir cómo varían U ó H70. • • •

Proceso isocoro. Proceso isobaro. Proceso isotermo.

El inicio de la vaporización se denomina líquido saturado, y se denota como f. El final, vapor saturado, denominado g. Entre esos dos estados se produce la vaporización: el fluido está formado por dos fases, vapor y líquido; se denomina vapor húmedo. El líquido con temperatura menor que la de vaporización es un líquido subenfriado; el vapor con temperatura mayor que la de vaporización es un vapor sobrecalentado.

                                                             69 70

 M.J. MORAN y H.N. SHAPIRO, Fundamentos de Termodinámica Técnica   Handbook_of_Thermodynamic_Diagrams_VOLUME2 

118   

Figura 16: 1 Diagram ma T-v del agua, con n tres isoba aras (subc crítica, crítiica y supercríítica)

Fuente e: Thermod dynamic- Moran & Sha apiro- Fundamentals of o Engineering Thermodynamics A presione es elevada as, se reduce la differencia en ntre el volumen del líquido s saturado y el del vapor saturado o; las dos curvas c se unen u en el punto crítiico. Por e encima de la presión n crítica, el e paso de e líquido a vapor se verifica de e modo c continuo, sin s aparición n de superrficies de se eparación entre e las do os fases (e es decir, s burbuje sin eo). En el caso del agua, las coo ordenadas críticas c son n Pc = 22,12 MPa, Tc = 374,15 5 °C. En las regio ones bifásiccas líquido– –vapor se define d el títtulo como la a fracción en e peso d vapor: de

ce f se reffiere al líqu uido satura ado, y el g al vapor saturado. En una El subíndic m mezcla bifá ásica líquid do–vapor, cualquier c prropiedad exxtensiva se erá la suma a de las p propiedade es extensiva as de ambo os fluidos. Por P ejemplo o, el volumen que ocu upa una m mezcla bifá ásica forma ada por mf-kg de líquid do saturado o y mg kg de d vapor sa aturado, e la suma del volume es en ocupado o por ambas fases71:

Donde

y

son los volúmenes v específicoss

d líquido y vapor satu de urado.

                                                             7 71

 Termodinám mica‐ Moran & Shapiro‐  Fund damentals of EEngineering Terrmodynamics, pages 254‐311 1 

119  

Dividiendo por la masa total de la a mezcla, se s llega a la a expresión:

2 2.3.9 Diagrrama de fa ases: P-T La representación de la tempera L atura de sa aturación (vvaporización n o fusión) a cada p presión mu uestra las condiciones c s en que ess estable ca ada fase. Por P este mo otivo, se d denomina diagrama d d fases. de En la figurra 17 se muestra m el diagrama de d fases del d agua. La L línea de e fusión ( (equilibrio sólido-líquid s do) tiene pe endiente lig geramente negativa. Nótese N que en una s sustancia que q dilata al a fundirse, esa línea tiene pendie ente positivva, como to odas las 72 d demás líne eas . Fiigura 17: Diagrama D d fases P--T para el agua, de a vapo or y hielo

Fuente: http://quimica.laguia a2000.com m/reaccioness-quimicas//estructura--yestabilidad-quimica a-termodina amica e corte de la l línea de vaporizació ón con la de d fusión ess un estado o donde El punto de c coexisten en e equilibrio o las tres fa ases: se den nomina pun nto triple. Puede com mprobarse (regla de las fases) que es un n estado in nvariante. Para el a agua, °C.

                                                             7 72

 http://www.sc.ehu.es/sbw web/fisica/esta adistica/termo//Termo.html 

120  

2 2.3.10 Valo ores de las s propiedad des termod dinámicas s Las propied L dades term modinámicass de fluidoss de interéss técnico (e en nuestro caso, c el a agua y los fluidos empleados en n sistemas de refrigera ación) suelen presentarse de t tres modos s73: en form ma gráfica (diagramass), en forma algebraicca (ecuacio ones de e estado), o bien en fo orma de ta ablas. A co ontinuación se describe brevem mente el m modo de ac cceder a esstos datos. 2 2.3.11 Diag gramas terrmodinámiicos Figura 18: 1 Esquem ma del diag grama T-s con indica ación de va arias isolín neas

Fuentte: http://andromeda.ls.utp.ac.pa a/minas/me ecani/termo odinamica1//apuntes2.h html

                                                             7 73

 http://www2 2.udec.cl/~jinzzunza/fisica/ca ap15.pdf 

121  

Figura 19: 1 Esquem ma del diag grama h-s con indica ación de va arias isolín neas

Fuentte: http://andromeda.ls.utp.ac.pa a/minas/me ecani/termo odinamica1//apuntes2.h html Se presen S ntan alguno os diagram mas termod dinámicos que suele en utilizarsse para r representa r gráficamente las propiedade p es de los fluidos de e interés técnico: t d diagramasT T-s, h-s y P-h. Este último se utiliza esp pecialmente e para los fluidos r refrigerante es.Obsérve ese el aspecto de las distintas isolíneas, esspecialmentte en la z zona de va apor húmedo74. 2 2.3.12 El gas ideal75 El Modelo de Gas Id deal (MGI)) es un modelo senccillo que describe d de e forma a aproximada a el comportamiento de d los gases a bajas presiones. p El MGI con nsta de doss ecuacione es de estad do: ecuación n de estado o térmica (rrelación P P-v-T) y ecuación e de estado energética e (relación u-v-T). En n realidad no son                                                              7 74 7 75

 Handbook_o of_Thermodyna amic_Diagram ms_VOLUME2, p pages 301‐342 2  Introduction_ _to_Chemical__Engineering_TThermodynamiic‐Smith Vannees, pages 351‐3 374 

122  

independientes: la ecuación de estado energética se puede deducir de la térmica; sin embargo, de momento las postularemos como dos ecuaciones independientes: • •

Ecuación de estado térmica: Ecuación de estado energética:

2.3.12.1 Ecuación de estado térmica. Es un hecho experimental para sustancias simples compresibles: la relación / se aproxima a un valor fijo a bajas presiones: lim

lim

lim

El constante Ra depende de cada sustancia, pero es independiente de la temperatura. Si se expresa la ecuación anterior en volúmenes molares (multiplicando por el peso molecular del gas), el valor límite es el mismo para todos los gases. lim Donde Res la constante universal de los gases, cuyo valor es: 8.31451 La relación entre las dos constantes (la universal y la de cada gas) viene dada por

Por tanto, la ecuación de estado térmica del GI (gases a bajas densidades) es cualquiera de las siguientes: ;

;

;

;

2.4 SEGUNDO PRINCIPIO DE LA TERMODINÁMICA Aunque históricamente la Segunda Ley o Segundo Principio de la Termodinámica se ha formulado de muy diversas maneras, aquí seguiremos la formulación basada en máquinas térmicas (Clausius y Kelvin-Planck). Previamente se estudian dos conceptos (reversibilidad y máquinas térmicas); y luego se analizan algunas consecuencias de esta Ley: los corolarios de Carnot 123   

para ciclos p s, la escala absoluta a de tempe eraturas y el rendim miento máxximo de m máquinas térmicas. t Finalmente e, se plante ea como eje emplo un posible p ciclo o totalmentte reversiblle (ciclo d Carnot),, comproba de ando que si el fluido de e trabajo ess un gas ide eal, la temp peratura 76 c coincide co on la escala a del gas ideal (temperratura empírica) . Tablla 8: Clasifficación de e procesos s continuos s

Fuente: http://dspac h ce.unav.es/d dspace/bitsstream/10171/5185/1/T Termo_060 07.pdf                                                              7 76

 Fundamento os de Termodin námica ‐ 6ta Ed dicion ‐ Sonnta ag, Bognakke, V Van Wylen 

124  

2.4.1 Necesidad de la Segunda Ley77 Ejemplos de procesos en que se cumple la Primera Ley pero que ocurren claramente en una sola dirección:Cubo de hielo en taza de agua caliente, dos depósitos a diferente nivel, apertura de un depósito a presión, conversión de entrada de calor en salida de trabajo. 2.4.2 Utilidad de la Segunda Ley: La utilidad de la segunda ley de la termodinámica es: predecir dirección de los procesos, establecer las condiciones de equilibrio, determinar las mejores prestaciones teóricas de ciclos y motores térmicos, cuantificar el alejamiento del óptimo en máquinas reales definir una escala absoluta de temperatura (independiente de la sustancia termométrica), procedimiento de cálculo de u y h a partir de otras propiedades medibles 2.4.3 Procesos reversibles e irreversibles Antes de plantear la Segunda Ley, es necesario fijar dos conceptos previos: reversibilidad y máquinas térmicas. 2.4.3.1 Características de un proceso reversible. Un proceso es reversible si, una vez producido, es posible retornar al estado inicial pasando por los mismos estados intermedios, e invirtiendo todas las interacciones con el entorno, de forma que en el entorno no quede ningún efecto del proceso completo de “ida y vuelta”. Para que esto se cumpla, se deben cumplir dos condiciones78: • Proceso cuasiestático (es decir, todos los estados intermedios son de equilibrio). • Sin efectos disipativos (que son los únicos cuyo signo no puede invertirse, 0). siempre es 2.4.3.2 Tipos de irreversibilidades. Las irreversibilidades se pueden clasificar en internas y externas, en función de que tengan lugar dentro del sistema o en la interacción con el entorno. Un proceso es internamente reversible si no se producen irreversibilidades dentro del sistema, aunque haya irreversibilidades a ambos lados de la frontera del sistema.

                                                             77

Disponible en internet en: http://dspace.unav.es/dspace/bitstream/10171/5185/1/Termo_0607.pdf   A. SHAVIT & C. GUTFINGER, Thermodynamics. From concepts to applications, London,  Prentice Hall, 1995, pp. 223–236.  78

125   

Ejemplos de procesos reversibles son:Expansión o compresión controlada, movimiento sin fricción, deformación elástica de un sólido, circuitos eléctricos de resistencia cero, efectos de polarización y magnetización, descarga controlada de una pila. Ejemplos de procesos irreversibles son: resistencia eléctrica, deformación inelástica, ondas de choque, efectos de histéresis, flujo viscoso de un fluido, amortiguamiento interno de un sistema en vibración, fricción sólido-sólido, expansión sin restricciones de un fluido, flujo de fluidos a través de válvulas y filtros porosos (laminado o estrangulamiento), reacciones químicas espontáneas. 2.4.4 Entropía A partir del primer principio, se deducía la propiedad energía, que era una magnitud conservativa. A partir del segundo principio, veremos en este tema que se deduce la propiedad entropía. Primero se deduce un corolario del P2 para ciclos (la desigualdad de Clausius); junto con la formulación matemática del enunciado de Kelvin-Planck, surge naturalmente la propiedad entropía79. A continuación se indica la forma de calcular el valor numérico de las variaciones de entropía para varios tipos de sustancias; y el modo de plantear las expresiones de balance de entropía, tanto en sistemas cerrados como en abiertos. 2.4.4.1 La desigualdad de Clausius. La desigualdad de Clausius es un corolario del Segundo Principio. Se enuncia de la siguiente manera: “Cuando un sistema recorre un ciclo, / es cero si el ciclo es reversible, y negativo si es irreversible, es decir, en general, / 0” Para demostrarlo, consideramos una máquina que opera con un número finito de focos isotermos. 2.4.4.2 Definición de la variación de entropía. Empleando la desigualdad de Clausius se deduce una nueva propiedad o variable de estado, que llamaremos entropía80. Sea un sistema cerrado que experimenta dos procesos cíclicos distintos, con una parte común; todas las etapas de los dos ciclos son internamente reversibles: ciclos 1A2C1 y 1B2C1 de la Figura. Aplicamos la desigualdad de Clausius a los dos ciclos: .

0

                                                             79 80

 K. WARK, Termodinámica (5ª ed.), Mexico, McGraw‐Hill, pp. 733–758   M.J. MORAN y H.N. SHAPIRO, Fundamentos de Termodinámica Técnica, pp. 577–606 

126   

Figura 21 1: Dos cicllos interna amente rev versibles em mpleados para demo ostrar que la entropía es una propiedad

F Fuente: Loss autores Restando ambas a exprresiones tenemos:

Por tanto, el valor de e es el mismo para todoss los proce esos internamente r reversibles entre los dos d estado os. Es decir, la integra al es una propiedad. p A esta p propiedad le l llamamoss entropía,, con el sím mbolo S:

L unidades de la en Las ntropía son calor dividiido por tem mperatura

.

Expresada por unida ad de masa de susta ancia se tiiene la entropía esp pecífica o molar m . Lo mismo que L q ocurre con la ene ergía, no existen e vallores absolutos de entropía, s sino que se e definen unos u valores arbitrarios para la entropía de las sustanccias, en u determin un nado estado de refere encia arbitra ario.

127  

2 2.4.4.3 Calor en proc cesos interrnamente reversibles r s F Figura 22: Calor en procesos p internamen nte reversibles: interrpretación gráfica

Fuente: Fu undamentos de Termo odinámica - 6ta Edició ón - Sonntag g, Bognakkke, Van Wyle en En proceso os internam mente reve ersibles, se e puede ca alcular el calor c si se conoce 81 c cómo varía a la entropía a con las de emás propiedades .

En el diag grama T-s, figura 20, el calor es e el área bajo b la líne ea de estados del p proceso Figura a 23: Traba ajo y calorr neto interrcambiados en proce esos cíclicos intern namente re eversibles: interpreta ación gráfic ca.

Fuente: http://dspac h ce.unav.es/d dspace/bitsstream/10171/5185/1/T Termo_060 07.pdf                                                              8 81

A. SHAVIT & C. GUTFINGER R, Thermodynam mics. From con ncepts to appliications, pp.223 3–236 

128  

En proceso os cíclicos internamente reversiibles, como o Qn = Wn n por el P1 1 (calor n neto y trab bajo neto), el área enccerrada por la curva representa cualquiera a de las d magnittudes, tanto dos o en el diag grama P-v como c en el T-s. 2.4.4.4 Variación de 2 e entropía en proces sos irreve ersibles82. Supongam mos dos p procesos entre e los mismos estados, e un no internamente revversible y el otro i irreversible . La diferen ncia de entrropía entre los estado os 1 y 2 se calcula inte egrando para un u proceso reversible cualquiera. Por ejemplo o el denom minado R:

Para un pro oceso cualq quiera. Y en n forma dife erencial,

Figura 24:: Variación n de entrop pía en proc cesos con irreversibiilidades intternas.

F Fuente: Loss autores Luego el ca L alor interca ambiado es menor qu ue el área bajo b la línea a de estado os en el p plano T-s. La inecuacción se transsforma en ecuación añadiendo a u término positivo un o nulo, den nominado entropía ge enerada83:

                                                             8 82 8 83

 Fundamento os de Termodin namica ‐ 6ta Ed dicion ‐ Sonnta ag, Bognakke, V Van Wylen   http://dspacce.unav.es/dsp pace/bitstream m/10171/5185//1/Termo_0607 7.pdf 

129  

Se plantean así tres posibilidades: • • •

0, proceso irreversible (con irreversibilidades internas) 0, proceso reversible (sin irreversibilidades internas) 0, proceso imposible

2.4.5Balance de entropía en sistemas cerrados

∆ Variación de entropía en  un sistema cerrado 

Entropía de flujo

Entropía generada 

2.4.6Balance de entropía en volúmenes de control •

En régimen transitorio:

•

En régimen estacionario: ∆

Variación de entropía en un  volumen de control 

Entropía de  flujo 

Entropía generada 

2.5 PRINCIPIO DE EXERGÍA La exergía es una propiedad termodinámica que permite determinar el potencial de trabajo útil de una determinada cantidad de energía que se puede alcanzar por la interacción espontánea entre un sistema y su entorno. Informa de la utilidad potencial del sistema como fuente de trabajo. Definida de otra forma la exergía es la porción de la energía que puede ser transformada en trabajo mecánico, la parte restante, sin utilidad práctica, recibe el nombre de energía o entropía. La exergía determina de forma cuantitativa el valor termodinámico de cualquier recurso, y permite analizar rigurosamente el

130   

desperdicio de los recursos en las actividades de la sociedad, estableciendo pautas para su ahorro y uso eficiente. Por ejemplo, un compuesto de combustible y aire, si se quema el combustible obteniendo una mezcla de aire y productos de combustión ligeramente calientes, aunque la energía asociada al sistema sea la misma, la exergía del sistema inicial es mucho mayor, potencialmente es mucho más útil a la hora de obtener trabajo. Otro ejemplo es el agua de refrigeración de las centrales térmicas. Aunque la central cede una gran cantidad de energía al agua, esta solo eleva su temperatura unos grados centígrados por encima de la temperatura de su entorno, por tanto su utilidad potencial para obtener trabajo es prácticamente nula o lo que es lo mismo en términos técnicos, tiene una exergía asociada baja. 2.5.1Balances de exergía En realidad un balance de exergía no es más que la combinación de un balance de energía y de entropía, que derivan a su vez del primer y segundo principio de la termodinámica. No es por tanto un resultado independiente, pero puede utilizarse como formulación alternativa de la segunda ley de la termodinámica. Como alternativa al principio de incremento de entropía, se puede formular la segunda ley estableciendo que, los únicos procesos que puede experimentar un sistema aislado son aquellos en los que la exergía del sistema disminuye. El balance de exergía es un método de análisis muy útil a la hora de valorar el rendimiento energético de una instalación, nos da una visión más amplia que el rendimiento térmico. Permite valorar las pérdidas de energía en un proceso, la energía que sería aprovechable de flujos salientes en sistemas abiertos y las ventajas de métodos regenerativos en instalaciones térmicas.

131   

CAPÍTULO 3 MAQUINAS TÉRMICAS La tecnología moderna consume grandes cantidades de energía eléctrica. Esta es normalmente generada en una planta de energía que convierte otras clases de energía en energía eléctrica. Cada sistema tiene ventajas e inconvenientes, pero muchos de ellos plantean preocupaciones medioambientales. La eficiencia de algunos de estos sistemas puede mejorarse mediante métodos de cogeneración (combinando calor y energía). El vapor para un proceso puede extraerse de turbinas de vapor. El calor sobrante producido por las centrales térmicas puede utilizarse para la calefacción de edificios cercanos. Al combinar la producción eléctrica y el calor, se consume menos combustible, con lo que se reducen los efectos ambientales comparados con los sistemas separados de calor y energía. Julio Güémez84

                                                             84

 Universidad de Cantabria, facultad de ciencias, profesor del departamento de física aplicada, Julio  Güémez, junio del 2008 

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INTRODUCCIÓN Las máquinas térmicas pertenecen al grupo de las de fluido compresible. Es decir, a aquellas que tienen la capacidad de realizar un intercambio de la energía mecánica mediante un fluido que logra atravesarlas. Por otra parte, el proceso mismo puede presentar diversas variantes. Es decir, si el procedimiento consigue que el fluido incremente su propia energía, entonces la maquinaria va a recibir el nombre de generadora, cuyos ejemplos más relevantes son los compresores y las bombas. En cambio, si el fluido disminuye notablemente su energía, entonces se la denomina como motora, donde se ubican las turbinas y los motores de explosión. Debido a estas variantes en el proceso, también se las puede clasificar en relación a la forma de compresibilidad del fluido en cuestión. Entonces nos podemos encontrar con varios tipos de máquinas térmicas. Uno de estos tipos es el hidráulico, que opera solamente con fluidos considerados como incomprensibles. Dentro de este grupo es posible destacar a las máquinas que operan con líquidos como el agua, al tiempo que algunos modelos también trabajan con gases, justamente cuando los mismos se comportan con ese grado extra de incomprensibilidad, siendo un ejemplo importante el ventilador. Asimismo, la energía que aprovechan es solo la mecánica, que se encuentra disponible en el mismo fluido, como el caso de la cinética y la potencial. Es por eso que si en algún determinado momento se aumenta el nivel de temperatura del fluido en la entrada de la maquinaria misma, entonces a la salida de ésta se podrá obtener un fluido mucho más caliente, sin que ese cambio de temperatura signifique necesariamente un provecho mayor de la energía. De esta forma es como los molinos, por ejemplo, hacen uso de la energía de las corrientes de agua, mientras que las centrales hidroeléctricas aprovechan aquel potencial que se encuentra en el agua, cuando la misma está represada.85 Otro ejemplo que podemos mencionar dentro del grupo de máquinas de fluido comprensible son aquellas máquinas calificadas como volumétricas o bien como de desplazamiento positivo. Se trata de una clase que puede ser atravesada por un fluido conocido. Las mismas, a su vez, pueden subdividirse en dos grupos: las rotativas o las alternativas, siempre va a depender esto de la función del movimiento que puede llegar a obtenerse. Por otra parte, aquellas que son atravesadas por un fluido continuo reciben otro nombre, se trata de turbomáquinas, que además no pueden subclasificarse ya que son siempre rotativas.

                                                             85

 Disponible en internet en: http://www.maquinariapro.com/maquinarias/maquinas‐termicas.html 

133   

3.1 MOTORES DE COMBUSTIÓN INTERNA86 Un motor de combustión interna es cualquier tipo de máquina que obtiene energía mecánica directamente de la energía química producida por un combustible que arde dentro de una cámara de combustión, la parte principal de un motor. Se utilizan motores de combustión interna de cuatro tipos: el motor cíclico Otto, el motor diesel, el motor rotatorio y la turbina de combustión. El motor de combustión interna fue diseñado a finales del siglo XIX. Su funcionamiento es, en algunos aspectos, similar al de la máquina de vapor: un pistón situado en un cilindro se expande y contrae ejerciendo una fuerza. El líquido introducido dentro del cilindro es un derivado del petróleo al que, a continuación, se prende fuego. Al estar sometido a presión, el combustible no arde normalmente, sino que estalla. Esta explosión empuja el pistón hacia afuera, ejerciendo un trabajo. Posteriormente, entra nuevo combustible en el cilindro y se vuelve a comprimir para empezar de nuevo el ciclo. Los motores comerciales se fabrican con varios cilindros, ya que este sistema permite obtener más potencia y ofrece menos problemas que los que plantea un motor provisto de un único cilindro de mayor tamaño. En este dispositivo, la posición de los cilindros se calcula para que, en un momento dado, cada uno se halle en un ciclo distinto, uno en admisión, otro en compresión, otro en explosión y otro en escape. De este modo, se obtiene un funcionamiento más estable, sin vibraciones, y en el que cada cilindro, al hacer explosión, ayuda a los demás a moverse. El motor de combustión interna ha sustituido a la gran mayoría de máquinas de vapor debido a sus considerables ventajas. En primer lugar, el aprovechamiento de la energía es mayor. El origen de la energía se sitúa en el interior del cilindro, y no en el exterior como en la máquina de vapor. Por otra parte, no es necesario cargar con grandes cantidades de agua. Los vapores empleados son los propios del combustible al explosionar. El tamaño del motor se reduce considerablemente y facilita su instalación en vehículos pequeños. Por último, este motor es capaz de realizar en poco tiempo una gran variación de energía, comparado con la máquina de vapor. Un motor de combustión interna ligero puede pasar en pocos segundos de una posición de reposo a otra en la que proporcione la máxima energía, tardando sólo unos minutos en sistemas de grandes dimensiones, como los barcos. Esta característica lo convierte en el mecanismo ideal para aplicaciones con cambios frecuentes de energía, como puede ser el motor de un automóvil, un tren o un barco.

                                                             86

 Heywood, J.B. “Internal Combustion Engine Fundamentals”. Cap. I y II.McGraw – Hill Series in Mechanical  Engineering 1988. 

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3 3.1.1 Clasificación de e motores de combu ustión interrna Existen dis stintos criterrios para cllasificar loss motores de d combusttión interna a: según e combusttible utilizad el do, el núm mero y la disposición de los Cilindros, el tiipo y la c colocación de las válvvulas o el sistema s de enfriamientto emplead do. La clasificación m frecue más ente se bassa en el tipo de ciclo, es decir, en e el núme ero de tiempos por c ciclo (enten ndiendo por tiempo un na carrera hacia h arriba a o hacia abajo a del ém mbolo a l largo del cilindro); La clasifica lo ación más común es la que hacce referencia a los t tiempos de el motor, sig guiendo estte parámetrro los motores de com mbustión intterna se c clasifican en e de dos y cuatro tiem mpos. En el deno ominado mo otor de doss tiempos, cada c ciclo de motor consta c de sólo s dos t tiempos, combinándo c ose en uno o la admissión y la compresión c n y en el otro la e expulsión y el escape. 3 3.1.2 Func cionamiento del moto or de explo osión de cu uatro tiemp pos En el deno ominado mo otor de exp plosión de cuatro c tiem mpos, en ca ada ciclo de e motor 87 ( (llamado ciclo c de Otto) se suceden s cu uatro tiempos (admissión, comp presión, e explosión y escape). 3 3.1.2.1

Ciclo Ottto gura 25: Diagrama Presión P Vs Volumen del d ciclo id dean Otto Fig

Fu uente: Intern nal Combusstion Engin nes, Taylor and Francis group88.                                                              8 87

  Termodinám mica sexta edicción,  Yunus A. Cengel y Michael A. Boles, ca apitulo 6° 

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En la figura 25 se muestra de manera esquemática el ciclo ideal Otto y cada uno de los tiempos del motor. 1-2 Compresión isoentrópica. 2-3 Adición de calor a volumen constante. 3-4 Expansión isoentrópica. 4-1 Expulsión de calor a volumen constante. La eficiencia térmica de un ciclo está definida como la relación del trabajo de salida sobre el calor de entrada.

Para el ciclo Otto, la eficiencia térmica puede expresarse como: 1

1

Donde r es la relación de compresión (V1/v2) y específicos del combustible (Cp/Cv).

es la relación entre los calores

Si bien es cierto, el expuesto anteriormente es el comportamiento termodinámico del motor funcionando en un ciclo Otto ideal, esto no llega a ser realidad, en realidad las pérdidas e ineficiencias hacen que el comportamiento sea diferente; tal y como se muestra a continuación en la figura 26. En este diagrama los cuatro tiempos del ciclo se definen de la siguiente manera: en tiempos de inducción (g-h-a), la presión en el cilindro es normalmente menor que la presión atmosférica debido a la resistencia del flujo de aire en el cilindro. En la carrera de compresión(a-b-c), la presión aumenta con el movimiento hacia arriba del pistón. Cuando el pistón se acerca al TDK (Punto muerto superior), la bujía produce una chispa para encender la mezcla aire/combustible atrapada en el cilindro y la presión aumenta rápidamente.

                                                                                                                                                                                      88

 Klett David E.  et al. 

136   

Figura F 26: Diagrama Presión Vs V Volumen n Ciclo Ottto Real.

Fuente: Mo odern Electric, Hybrid Electric, an nd Fuel Cell Vehicles, CRC Presss LLC © 2005 5 En la carrera de expansión (c-d-e e), los gase es de alta presión p en el e cilindro empujan e e pistón ha el acia abajo, produciend do par en el cigüeñal. El motor de d explosión de cuatrro tiempos es utilizad do en la mayor m parte e de los a automóvile s. Como ya y se mencionó, en su funcion namiento se suceden n cuatro t tiempos o fases f distintas, que se e repiten co ontinuamente mientrass opera el motor. m A c cada uno de d estos tiiempos le correspond de una carrrera del piistón y, po or tanto, m media vuelta del cigüeñal. En ell primer tiempo, llama ado de adm misión, el piistón se e encuentra en e el punto o muerto superior y em mpieza a ba ajar.

137  

Figura 27 7: Motor de e cuatro tie empos

Fuente e: http://ww ww.ciaar.com m.br/EM%2 20FOCO/20 006/av-2/avv2-alcool.httml Al comenza A ar el segundo tiempo, llamado de e compresión, el pistó ón se encue entra en e punto muerto el m infe erior y las dos válvulas están cerradas. El cigüeña al sigue g girando y, por tanto o, la biela a empuja al pistón, que sube e. Al eleva arse la t temperatur ra, se consiigue la vap porización de d la gasoliina y la me ezcla se ha ace más h homogénea a, por lo qu ue existe un n contacto más m próxim mo entre la gasolina g y el e aire. El tercer tie empo es ell llamado de d explosión. Cuando el pistón se s encuentrra en el p punto muerto superio or después de acabad da la carrera de compresión, sa alta una c chispa en la bujía, que q inflama a la mezcla a de aire y gasolina ya comprrimida y c caliente, la cual se quema rápida amente empujando el pistón haciia abajo. A medida q que el pistón se acerrca al puntto muerto inferior, la presión va siendo me enor, al o ocupar los gases un mayor m espa acio. En este nuevo tie empo, el pisstón ha reciibido un f fuerte impu ulso, que transmite al cigüeñal, que por in nercia segu uirá girando o hasta r recibir un nuevo n impulso. Cuando el pistón llega al pun nto muerto inferior, se e abre la v válvula de escape, y permanecce cerrada a la de admisión. Du urante esta a nueva c carrera del pistón, denominada d a motriz por ser la única en que q se de esarrolla t trabajo, el cigüeñal c ha a girado me edia vuelta. Al comenzar el cuarto tiempo, llamado de A e escape, el e pistón se e encuentrra en el p punto muerrto inferior, el cigüeña al sigue gira ando y hace e subir al pistón, que expulsa e l gases quemados los q al exterior.. Cuando llega al punto muerto superior, se cierra l válvula de la d escape y se abre la de adm misión. Dura ante el tiem mpo de esccape, el

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pistón ha realizado una nueva carrera y el cigüeñal ha girado otra media vuelta. Acabado el tiempo de escape, el ciclo se repite. Como ha quedado expuesto, las válvulas se abren y cierran coincidiendo con el paso del pistón por el punto muerto superior e inferior. Para conseguir un mayor rendimiento en los motores, se hace que las válvulas se abran y cierren con un cierto adelanto o retraso respecto a los momentos indicados. Son las llamadas cotas de la distribución, cuyos valores son determinados por el fabricante y calculados para que el motor desarrolle la máxima potencia. 3.1.2.2 Parámetros de operación del motor de combustión interna de ignición por chispa.Para evaluar el comportamiento de un motor hay una serie de aspectos que miden cuantitativamente el desempeño de la máquina. • Máxima potencia nominal: Es la máxima potencia que el motor puede desarrollar en cortos periodos de operación. • Potencia normal de operación: Es la máxima potencia que el motor puede desarrollar en operación continua. • Velocidad nominal: Es la velocidad rotacional del motor a la cual se desarrolla la potencia nominal. • Eficiencia mecánica: No toda la potencia generada en el cilindro (potencia indicada) está disponible para ser entregada en el cigüeñal. Parte de esta es usada para mover accesorios del motor y vencer la fricción inherente al sistema. Este comportamiento se expresa de la siguiente manera: P

P

P

Donde Pi es la potencia indicada, Pu es la potencia que se entrega en el cigüeñal y Pf es el término que agrupa las pérdidas de fricción y la de los accesorios. La relación entre la potencia útil y la potencia indicada se conoce como eficiencia mecánica. Pu Pf 1 η Pi Pi • Consumo específico de combustible. En las pruebas de motores generalmente se mide el consumo de combustible en como flujo másico por unidad de tiempo, . Un parámetro más útil es el consumo específico de combustible sfc que viene siendo la relación entre el flujo de combustible y la potencia útil de salida y mide que tan eficiente es el motor en cuanto a la generación de potencia a partir del combustible que entra.

139   

Donde es el flujo másico m de combustible c e y P es la potencia de el motor. Si la p potencia a la que se hace h referen ncia es la potencia p úttil, este térm mino se den nomina b brake-spec cific fuel con nsumption (bsfc). ( El sffc o el bsfc normalmen nte se mide en en el s sistema en gramos de e combustib ble consum mido por Kw w de potencia de salida a por h hora (g/KW Wh). • Eficiencia en el e uso del combustib c ble. L relación La n entre el trabajo pro oducido po or ciclo con n la cantidad de energía de c combustible es suministtrada por ciclo que puede ser liberada en el procceso de c combustión n se trata de una medida m de la eficiencia del motor m (eficie encia de c conversión de combusstible) como o se muesttra a continuación:

Donde Wc es el trrabajo heccho por cicclo, mf ess la masa de combustible c consumida por ciclo, y QHV es el poder calo orífico del co ombustible, que está definido d c como la ca antidad de calor liberrada por unidad u de combustible c e con com mbustión c completa en e condicion nes estánda ar. 3 3.1.2.3 Torrque y pote encia de frrenado indicados. Figura 28 8: Variación de Torqu ue, potenc cia de frena ado y cons sumo espe ecífico de combustib ble con la velocidad v d motor. del

Fuente: Mo odern Electr tric, Hybrid Electric, an nd Fuel Celll Vehicles, CRC Presss LLC © 2005 5

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La potencia indicada es la rata promedio de transferencia de trabajo de los gases en los cilindros al pistón durante los tiempos de compresión y expansión. El torque de frenado se obtiene restando las pérdidas de fricción de la `potencia indicada; en la figura 28 se muestra el comportamiento de éstos y otros parámetros en términos de rpm. La potencia de frenado muestra un valor máximo alrededor de una velocidad ligeramente inferior a la velocidad máxima del motor. El torque muestra valor máximo en el rango de velocidad media, que aproximadamente corresponde a la velocidad a la que la eficiencia volumétrica tiene el valor máximo. El par de frenado se reduce más que el par indicado a gran velocidad debido a la mayor fricción 3.1.2.4 Relación aire/combustible La correcta relación aire/combustible o combustible/aire en la mezcla aire/combustible es un factor crucial que afecta el desempeño, eficiencia y emisiones características de un motor como se muestra en la figura 29. El pico de la presión media efectiva está se encuentra con una mezcla ligeramente rica (entre = 1 y 1.2).Sin embargo, la eficiencia de conversión de combustible disminuye a medida que la mezcla se enriquece por encima de = 1, debido a que parte del combustible es descartado después de la combustión. Cuando disminuye , aumenta eficiencia de conversión de combustible porque el oxígeno que existe en el cilindro es suficiente para oxidar el combustible y la energía del combustible es casi liberada como energía térmica. En los motores de ignición por chispa, una mezcla muy pobre hará que la mezcla no se encienda ( =0,8 sería el límite inferior). Con una mezcla pobre, la combustión produce una temperatura más baja en el cilindro, lo que resulta en una baja presión media efectiva.

141   

Figura 29 Comporta amiento de la presión n media efe ectiva indicada y el isfc en un motorr de ignició ón por chis spa respec cto a la va ariación de e la relación aire combustible.

Fuente: Mo odern Electr tric, Hybrid Electric, an nd Fuel Celll Vehicles, CRC Presss LLC © 2005 5 R Relación combustibl c le/aire y em misiones. La relación L n combustib ble/aire tien ne un efectto predomin nante en la a emisioness de los m motores de e ignición por p chispa, mezclas magras m prod ducen meno ores emisio ones de NOx, CO y HC hasta que la me ezcla eventualmente se s hace po obre y se pierde la i inflamabilid dad. Cuand do la relaciión combusstible/aire se s encuentra por deb bajo de c cierto punto o (0,85 com mo se mue estra en la figura 30) las emision nes de HC crecen f fuertemente e y el comp portamiento o del motor se torna errrático.

142  

Figura F 30 Relación R co ombustible e/aire y emisiones de el motor.

Fuente: Mo odern Electr tric, Hybrid Electric, an nd Fuel Celll Vehicles, CRC Presss LLC © 2005 5 Las emisio L ones de NO Ox tienen una u curva diferente de las curvas del CO C y del HC, Tiene un va alor máxximo cerca de la a mezcla estequiom métrica, p porque NOx tiende a formarse a alta temp peratura y presión, p que es el casso de la c combustión n estequiom métrica. 3 3.1.3 Moto or de dos tiempos El pistón su ube mientra as hace ad dmisión (ab bsorbe combustible y aire a mezcla ado con a aceite) por las tobera as de admissión. Al missmo tiempo o comprime e el gas me ezclado q que ya esttá en la cavidad entre e la tapa de cilindros y el pistón n, se produ uce una c chispa que se enciend de y hace explosión. e

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Figurra 31: Func cionamien nto motor dos d tiempo os

Fuente: http://losm mejorestecnicosjunior.b blogspot.co om/2010/11/motor-de-d dodtiempos.html El pistón baja violenta amente, al bajar el pisstón, este comprime c ( lo que sería el (en ccárter) la mezcla m de aire y naffta, haciend do que suba hacia la a tapa de cilindro d donde la bujía b volverrá a produccirá una ch hispa que hará h explotar a la me ezcla de a aire-combu ustible y assí sucesivam mente. Loss gases pro oducto de la l explosión n serán e expulsados s por la tob bera de esccape al mismo tiempo que sube la mezcla por p otro c conducto (T Tobera). Lubricación L n: El aceite se sepa aró en la cámara inferior por peso y de ensidad q quedando adherido a a las pocas partes p existtentes (cigü üeñal y biela). 3 3.1.4 Moto or Diesel Muchos lo M o considera aron un motor m térmico en ren ndimiento elevado e y menos 89 c contaminan nte. Ideado o por Rudolff Diesel , de d quien to omó el nom mbre genéricco, este t tipo de mo otor fue dise eñado originalmente para funcio onar con ca arbón pulve erizado. El 28 de febrero de 18 892, Rudolff Diesel obttuvo la prim mera patentte del motor que le h hizo famos so. De heccho, este se s diferenccia de los de d gasolina en un pequeño p d detalle: no precisa chiispa para in niciar la com mbustión. Diesel, D en su s búsqueda de un m motor de alto rendimie ento, tuvo en e cuenta que q según los principio os termodin námicos d físico N.L del N Sadi Carnot, C uno o de los padres p de la termodinámica, exxistía la                                                              8 89

Rudolf Christtian Karl Diesel,l, Ingeniero Aleemán; 1858‐19 913.  

 

144  

posibilidad de que una p a mezcla de aire y combustible pudiera p exp plotar simplemente s se comprimía lo sufficiente. si Durante añ ños, los motores m Die esel tuviero on aplicaciiones limita adas a ca ausa de dificultades d s prácticas.. Eran pesa ados, ruido osos y prod ducirán gra andes vibra aciones. S potencia, ademáss, era muy inferior a la de lo Su os motoress de gaso olina de c cilindrada similar. s Solo o la llegada a de nueva as tecnologías, como el turbocom mpresor o la inyecc ción directa a, permitió ó que se popularizas p en entre lo os automo ovilistas, h hasta el punto p de que, en el año 2000,, en algun nos mercad dos europe eos, los t turismos Diesel iguala aron y superaron en ventas v a lo os de gasollina. Sin em mbargo, e Estados en s Unidos continuaron c n siendo pocco menos que q anecdó óticos. Figu ura 32: Com mparación entre un motor m dies sel y motorr a gasolina a

Fuente: http://coche h esmiticos.co om/el-moto or-diesel-hisstoria/ Diesel ideó ó un moto or de cuattro tiempo os de elevvada comp presión, capaz de f funcionar con c diverssos tipos de d combusstibles pessados, tanto líquidoss como s sólidos. La primera L a tentativa,, auspiciad da por la firma f MAN N, fue un fracaso. f El motor s simplemen te exploto, Diesel neccesitó tres años a más para ponerr a punto el primer m motor prác ctico de esste tipo. Fu ue en 189 98, seis añ ños despué és de regisstrar su p patente, cu uando presentó en Munich, su u primer motor m prácctico, unos cuatro t tiempos monocilíndriccos, refrige erados porr agua. Un n cervecero o norteame ericano, A Adolphus Busch, B adquirió la pattente para Estados E Un nidos y mu uy pronto un n motor comenzó a producir electricid b bicilíndrico dad para sus s factoría as. Diesel se dio c cuenta de que q los mo otores de ga asolina ofre ecían un re endimiento muy pobre e debido a su baja re elación de compresión n. En aquellos tiempo os esta era de apenas 6/1 (es

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decir, la mezcla se co d omprimía hasta h una sexta s parte de su volu umen inicia al), para e evitar la detonación (explosión incontrolad da) de la misma. Lo os motoress Diesel d debían func cionar con relaciones de compresión de 20//1 e incluso o superioress. otor Diesel Figura 33: Mo

Fuente: http://coche h esmiticos.co om/el-moto or-diesel-hisstoria/ La violencia L a de la exp plosión, asíí como la necesidad n d una gran cantidad de aire de p para funcio onar, fuero on los puntos débile es iníciales. Peso, volumen, ruido y v vibraciones s hicieron que los primeros motores m Diesel solo se utiliza aran en i instalacione es estáticass, es decir, para generar electriciidad o movver máquina as. En 1903, el e Vandal fue f el primer barco propulsado p por motore es Diesel y, y hacia 1912, este sistema se e había pop pularizado. En 1910, H. Saurer presentó el primer m motor Dies sel para la automoción, aunque todavía fueron necessarios vario os años p para que el sistema se s hiciera re ealidad. En 1923, Daim mler Benz presentó un motor Diesel de 40 4 CV, que e fue instala ado en el camión 5K3 3. Se trataba de un mo otor por e entonces liv viano y ráp pido (ya gira aba a 1.000 rpm), con n cuatro cilindros. Parra evitar o paliar los s problemass prácticos, la mezcla a de aire y combustiblle no se inyyectaba d directamen nte en el cilindro, c sino en una pre-cámara. El prime er turismo Diesel, u unMercede es, no llego sino hasta 1934. Aunque el A e motorDiesel estab ba diseña ado para funcionar con num merosos c combustible es, pronto quedó muyy claro que el gasoil era el idóneo. Aunque líquido, s trata de se e un combu ustible pessado, y porr lo tanto, casi impossible de va aporizar. Para conse eguir la me ezcla, debía a introducirrse en el cilindro c muyy pulverizad do. Ello f fue posible e gracias a la invención de lo os sistemass de inyeccción. Adem más, la 146  

iinyección de d precámara fue su ustituida en 1997 co on un sistema de co onducto c común llam mado ‘Comm mon Rail’ similar s a la inyección de combusstible que usan u los m motores a gasolina g acctuales, con n una presió ón máxima actual de 2 100 bare es. 3.1.4.1 Parrámetros de 3 d operación del mo otor Diesell. Excepto por la ignicción por c compresión n y las con ndiciones bajo b las cuales se llevva a cabo la combusstión, el c ciclo Diese el es simila ar al ciclo Otto. O En el ciclo teórrico modela ado para el e motor d diesel se asume que e la comb bustión es isobárica, el ciclo se denomin na ciclo e estándar aiire-Diesel; este e ciclo se s muestra gráficamen nte en la figura 34. Fig gura 34 Dia agrama P-V V Ciclo Die esel ideal.

Fuente e: Devins Delbert D W, Energy E its physical p imp pact on the environme ent. Según la fig S gura 34 b--c representa la combu ustión, c-a la carrera de d potencia a, a-e la e expulsión de d los gases, e-a la tom ma de aire y a-b la compresión. L eficiencia de este ciclo La c ideal se s puede ca alcular de la a siguiente manera:

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Entonces: Pero cuando Q2 < 0 entonces: 1

1

O 1

es Donde compresión.

1

V1/V3, la relación de expansión y

es V1/V2, la relación de

Una vez más, como en el ciclo Otto la eficiencia del ciclo Diesel se expresa en términos de las relaciones de compresión, con la diferencia de que en este caso solo se comprime aire y no hay riesgo de explosión; con relaciones de compresión y expansión adecuadas en teoría se puede alcanzar una eficiencia del 64%. 3.1.5 Motor Wankel90 El motor Wankel Posee una forma especial de la cámara de combustión del pistón que permite un mejor aprovechamiento de la potencia obtenida. En un motor tradicional, el pistón sube y baja verticalmente y un eje unido a ése encarga de transformar dicho movimiento en otro vertical que se transmite al cigüeñal. Este movimiento vertical del pistón tiene inconvenientes. El primero consiste en que los bruscos cambios de dirección, de abajo hacia arriba y viceversa fatigan el metal y provocan una rotura anticipada Otro problema es que la transferencia de energía es ineficiente y parte se pierde en mover el pistón verticalmente sin invertirse en girar el cigüeñal. El motor Wankel fue diseñado para que la fuerza de la explosión se empleara íntegramente en mover el cigüeñal y para que utilizara menos partes móviles. Consta de una cavidad curva que es la cámara de combustión dentro de ella se halla el pistón, que tiene forma de triángulo con los bordes cóncavos. La parte interior de dicho pistón tiene una circunferencia dentada que va unida a un engranaje del cigüeñal. Al ir girando el pistón en la cavidad, toma el combustible en un Punto y lo comprime hasta llegar a un segundo Punto en el que se produce la explosión Siguiendo con el giro, llega al área de expulsión de gases al exterior, ya Continuación vuelve a admitir combustible Se puede Considerar por tanto como un motor de explosión de cuatro tiempos.                                                              90

Félix Heinrich Wankel (Lahr, Alemania, 13 de agosto de 1902 – Heidelberg, 9 de octubre de 1988)  Ingeniero Alemán. 

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Figu ura 35: Mottor Wankel

Fue ente: http://w www.portallplanetased dna.com.ar//motor_exp plosion.htm Dado que el pistón tie ene forma triangular, puede enttenderse co omo si fuerran tres S ez. La enerrgía se emplea en Pistones Separados, cada uno en una fasse cada ve m mover circu ularmente el e Pistón y los l cambioss bruscos de d movimie ento se redu ucen en g gran medid da. Con esste motor se ha llegad do, incluso, a doblar la Potencia a de un m motor norm mal, pero problemas de diseño o y de de esgaste, en n especial de las e esquinas del d pistón que q rozaba an con la pared de la cámara han imped dido su d difusión a gran g escala a.91

                                                             9 91

Disponible en n internet en: h http://tecnolog gia‐ llcp.orgfree.com m/Documentoss/MOTOR%20W WANKEL%20O O%20ROTATIVO O.pdf 

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3.1.6 Motor de cuatro tiempos (Ciclo Atkinson) En 1882 James Atkinson diseñó un motor basado en el de ciclo Otto, se diseñó para saltarse la patente que protegía al motor de cuatro tiempos. No pasó de ser una anécdota histórica, pero el ciclo en el que se basa se ha rescatado en los últimos años para los híbridos. El ciclo Atkinson es más eficiente, ya que consigue relaciones más altas de compresión. La gasolina, cuando se encuentra muy comprimida tiende a detonar antes, lo cual no interesa. Pero si se logra una alta relación de compresión, el rendimiento termodinámico es superior. Los motores con mayores relaciones de compresión necesitan gasolina con un octanaje superior. El índice RON no habla del poder detonante de la gasolina, sino al revés, su poder antidetonante. ¿Cómo consigue Atkinson que aumente la relación de compresión, pero evitando que la gasolina RON 95 detone antes de tiempo? Es más fácil de lo que pensáis, basta con retrasar el cierre de las válvulas de admisión, permitiendo un pequeño reflujo de gases que vuelve al colector de admisión mientras asciende el pistón, permitiendo una relación de compresión superior. Estas válvulas controlan la cantidad de gases en el cilindro y la duración de la carrera de compresión. Podemos considerarlo como unos cinco tiempos, dicho de otra manera, la carrera de compresión dura menos que la carrera de expansión. Todo esto nos sirve para aprovechar mejor la energía liberada durante la explosión de la gasolina. Como hay una menor mezcla en el cilindro, la potencia es inferior al de un motor Otto de la misma cilindrada, pero la eficiencia termodinámica del Atkinson es más alta: gastan menos. Como los Atkinson gastan menos y dan menos potencia, son motores idóneos para aplicaciones híbridas. El motor eléctrico aporta la potencia que falta, y así combinan una entrega de potencia buena con un consumo realmente bajo. Ahora vamos a ver tres ejemplos de vehículos actuales que usan este sistema: • 2009 Ford Escape Hybrid: 2.5 153 CV, 7,84 l/100 km (autovía), relación de compresión 12,3:1 • Toyota Prius II: 1.5 78 CV, potencia combinada híbrida 115 CV, 4,3 l/100 km, relación de compresión 13:1 • Toyota Prius III: 1.8 98 CV, potencia combinada híbrida 134 CV, consumo inferior a 4,3 l/100 km Los híbridos procuran que el motor Atkinson gire a su régimen más eficiente, y el exceso de potencia generada se almacena en las baterías. Esto supone un menor consumo que si se utilizase el motor Atkinson en regímenes en los que no consigue la misma eficiencia termodinámica.

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Figu ura 36: Dia agrama P-V V

Fuentte: http://ww ww.motorpa asion.com/ttecnologia//motor-de-cciclo-atkinso on En la figurra 36 se muestra m el diagrama d p presión-volu umen del ciclo c Atkinsson. Se p produce un n mayor aporte de calor c a volumen consstante en Qp y otro en Qp‘, m mientras qu ue el calor residual ce edido por lo os gases de e escape se s descomp pone en Qo y Qo‘. Si el ciclo Ottto se deslizza un poco, nos da el ciclo Atkinsson. Basta con ver l las analogías: más relación r de e compresió ón, mayor rendimientto termodin námico, m menor pote encia. 3 TURBIN 3.2 NAS Las turbina L as son má áquinas qu ue desarro ollan par y potencia en el eje e como r resultado de d la variaciión de la ca antidad de movimiento o del fluido que pasa a través d ellas. Dicho de D fluido puede serr un gas, va apor o líquido, si bien n las notas que se d a continuación so dan on aplicable es a turbinas que operran con gass o vapor. Para que el fluido alcance la alta a velocid dad requerrida para que q se pro oduzcan v variaciones s útiles en el momentto, debe ha aber una diferencia d im mportante entre e la p presión a la a entrada a la turbina y la de escape. Como fue C entes de gas presu urizado ca abe mencionar un gas previamente c comprimido o y calentad do, como sería s el caso de una tu urbina de gas, g o en la turbina d un turbo de osobrealime entador de un motor de d C.I. En la l industria de genera ación de e electricidad d es muy fre ecuente el uso de vap por generad do en calde eras a alta presión q que utiliza an combusstibles sólid dos o nuccleares pa ara mover los altern nadores a accionados s por turbina as de vapo or.

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Existen num merosos tip pos de turb binas, desd de la más elemental e u utilizada en el buril d un den de ntista, hastta las gran ndes turbin nas multiexxpansión empleadas e en las c centrales energéticas, e , que puede en llegar a desarrollarr hasta 1000 0 MW. 3 3.2.1 Turbiinas de gas Una turbin na de gas es un motor m térmico rotativo o de flujo continuo que se c caracteriza a por presen ntar una ba aja relación n peso pote encia y una a velocidad de giro m elevad muy do. La elevada L a velocidad de giro, qu ue en función del tam maño puede e llegar a alcanzar a v valores de e hasta 40000 revolu uciones por minuto, orienta o su utilización a una u unidad de generación g de gases con c elevada a entalpia que q pude utilizarse en la para a reacció de acciona p propulsión ón o puede ser la encargada e ar una turb bina de p potencia ac coplada a un u eje, en la a que puede acoplarse e cualquier tipo de carrga.92 De este mo odo la turbin na de gas está e formad da por dos elementos principaless: • •

El ge enerador de e gases. La unidad gene eradora de potencia. Fig gura 37: Mo otor turborrreactor de e aviación

Fuentte: http://web.e educastur.p princast.es//proyectos//grupotecne e/asp1/inve estigacion/in ndex.as p?page= =187                                                              9 92

 "Turbomáqu uinas Térmicas", Claudio Mattaix. Tercera ed dición.   

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El generad dor de gase es está formado a su u vez por uno u o varios compresores, la c cámara de e combustió ón, donde se mezcla ara el comb bustible con el aire y donde t tendrá luga ar la combu ustión, y fin nalmente la a o las turbinas de exp pansión de e gases, q que en este e caso solo obte endrán la potencia necesaria para movver los c compresore es. La unidad generad dora de pottencia es do onde se ob btendrá la potencia p ú de la máquina, útil m dependiendo o de la ap plicación, se erá otra turbina de gases, o b bien, una to obera de prropulsión. En la actu ualidad, la turbina de gas se utiliza ampliamente, pues p es ca apaz de d desarrollar muy elevadas potenccias con un tamaño y peso conte enidos, aun nque sin o obtenerse rendimiento r os muy elevvados, del orden o del 25% 2 como valores v máxximos. Figura 38: Motor turbina de gas para la generración de electricida e d

Fuente: http://laplacce.us.es/wiki/index.php/Ciclo_Bra ayton Las turbina L as de gas orientadas o ulsión a rea acción se implementa an en la a la propu g gran mayorría de avion nes comercciales y militares, mien ntras que la as turbinas de gas o orientadas a la genera ación de tra abajo en un n eje se han n utilizado en e buques, trenes, t tanques, au utobuses, camiones c y coches y en los com mpresores de d los gaso oductos, p pero tienen n la utilizacción priorita aria como generadore g es de enerrgía eléctricca, bien s para cu sea ubrir los piccos de dem manda, graccias a su moderada ve elocidad de e puesta e marcha en a, bien sea en ciclo combinado c con una turbina t de vapor para a cubrir medianas y con un elevado re d demandas endimiento u otras configuracio c ones de ón en las que existe c cogeneraci e un processo de elevvada necessidad de ca alor, de m modo que le gran cau udal de gasses de esca ape, una ve ez aprovechado en la turbina d potencia de a, se utiliza a para la pro oducción de vapor o el e secado de d un deterrminado p proceso ind dustrial.

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Para analizar la ope eración de e una turb bina de ga as es neccesario ten ner una i idealización n de su cicclo de traba ajo al igual que para los l demás motores té érmicos, e esta idealiz zación es lla amada ciclo o Brayton y es ilustrad da a continu uación en la figura 3 39. Figura a 39: Diagrramas P-V y T-S del ciclo c Braytton

Fuente e: Devins Delbert D W, Energy E its physical p imp pact on the environme ent. El ciclo co onsta de una u compre esión adiab bática (iso oentrópica)) en el pa aso a-b, s seguidos por p una adicción de calor isobárica a b-c. Los gases g calie entes comp primidos s expande se en a través de la turb bina de c a d; en ese e punto loss gases tien nen una t temperatur ra mayor a la del inicio o pero se en ncuentra a la misma presión. p En un sis stema cerrrado, los gases serrían enfria ados hasta a Ta e in niciarían n nuevament te el ciclo, en un siste ema abiertto, la atmóssfera servirrá como su umidero p para el calo or de los ga ases en d. L eficiencia de este ciclo La c puede e expresarse de la sigu uiente forma:

T También, asumiendo a una capaciidad caloríffica constan nte Cptenem mos: A Además: En estos té érminos la eficiencia e puede expre esarse como:

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Y las presiones para estos cuatro puntos se relacionan entre sí de la siguiente forma:

Y las temperaturas:

Habiendo expresado esas relaciones de esta forma, se puede plantear la eficiencia de la turbina en términos de la temperatura:

Los orígenes de la turbina de gas se remontan a muchos años antes de que el desarrollo tecnológico, tanto de materiales como de procesos industriales, permitiera su correcta implantación. Las limitaciones esenciales provienen de las altas temperaturas de trabajo de los materiales y el correcto equilibrado y articulación de rotor, por el elevado régimen de giro del mismo. 3.2.2 Turbina de vapor La turbina es un motor rotativo que convierte en energía mecánica la energía de una corriente de agua, vapor de gas o gas. El elemento básico de la turbina es la rueda o rotor, que cuenta con palas, hélices, cuchillas o cubos colocados alrededor de su circunferencia, de tal forma que el fluido en movimiento produce una fuerza tangencial que impulsa la rueda y la hace girar. Esta energía mecánica se transfiere a través de un eje para proporcionar el movimiento de una máquina, un compresor, un generador eléctrico o una hélice. Las turbinas se clasifican en turbinas hidráulicas o de agua, turbina de vapor y turbinas de combustión. Hoy la mayor parte de la energía eléctrica mundial se produce utilizando generadores movidos por turbinas. Una turbina de vapor es una turbo máquina que transforma la energía de un flujo de vapor en energía mecánica. Este vapor se genera en una caldera, de la que sale en unas condiciones de elevada temperatura y presión. En la turbina se transforma la energía interna del vapor en energía mecánica que, típicamente, es aprovechada por un generador para producir electricidad, después de esto el vapor se enfría mediante un intercambiador de calor o una torre de enfriamiento y vuelve de nuevo a la caldera para cumplir un nuevo ciclo. El ciclo termodinámico más común en este tipo de turbinas es el ciclo Rankine, figura 40.

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Al pasar po A or las toberras de la turrbina, se re educe la pre esión del vapor (se exxpande) a aumentand do así su ve elocidad. Este E vapor a alta veloccidad es el que hace que los á álabes móv viles de la turbina t gire en alrededo or de su eje e al incidir sobre los mismos. m Por lo general una tu urbina de vapor v posee más de un conjunto tobera−á álabe (o e etapa), parra aumentar la velocidad del vapo or de mane era gradual.. Esto se hace ya que por lo general el vapor de alta presión y te emperatura a posee d demasiada energía térmica t y, si ésta se e convierte en energía cinética a en un n número mu uy reducido o de etapass, la velocid dad periféricca o tangen ncial de loss discos p puede llegar a produ ucir fuerzass centrífuga as muy gra andes caussando falla as en la u unidad. Figu ura 40: Cic clo Rankine e

Fuente: http://cerez h o.pntic.mecc.es/rlopez3 33/bach/teccind2/Tema a_3/rankine e.html En una turbina se pueden distin nguir dos pa artes, el ro otor y el esttator. El rottor está f formado po or ruedas de d álabes unidas u al eje e y que constituyen la a parte móvvil de la t turbina. El estator tam mbién está á formado por álabess, no unido os al eje sino a la c carcasa de e la turbina. El éxito ob btenido con n las turbin nas de agu ua condujo o a utilizar el principio o de la t turbina parra extraer energía e del vapor de agua. a Mien ntras que la a maquina a vapor a por el invventor e ingeniero escocés Jam d vaivén desarrollad de d mes Watt utilizaban l presión del la d vapor, la a turbina co onsigue me ejores rendimientos al utilizar tam mbién la e energía cin nética de este. e La turrbina puede e ser más pequeña, más ligera a y más b barata que una máquina de vapo or de vaivén de la missma potenccia, y puede e ser de u tamaño mucho ma un ayor que lass máquinas de vapor convencion c ales.

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Desde el punto p de vissta de la mecánica, tie ene la venttaja de prod ducir directtamente u movimie un ento girato orio sin neccesidad de e una maniivela o algún otro me edio de c convertir la a energía de d vaivén en energía a rotatoria. Como ressultado de ello, la t turbina de vapor ha remplazad do a las máquinas m de vaivén en las ce entrales g generadora as de ene ergía eléctrrica, y tam mbién se utiliza u com mo una forrma de p propulsión a chorro. Figura 41: 4 Planta generadora g a de electrricidad porr medio de vapor de agua

Fuentte: http://mo orataenergiia.com/3_esquema.htm ml La turbina de vapor no fue in L nventada por p una ún nica person na, sino q fue el r resultado del d trabajo de d un grupo o de inventtores a fina ales del siglo XIX. Algu unos de l los particip pantes máss notables en este desarrollo fueron el Británico Charles C A Algernon Parsons, P qu uien fue ressponsable del d denominado principio de esccalones, m mediante el e cual el va apor se exp pandía en varias v fasess aprovechá ándose su energía e cada una en u de ella as. De La aval fue el primero en e diseñarr chorros y palas a adecuadas s para el uso o eficiente de la expan nsión del va apor. 3 3.2.3 Clas sificación de d las turbiinas de vapor Hay mucha as maneras de clasifficar estas turbinas, depende d de e la aplicación en p particular. A continuacción se exp ponen las principales p c clasificacio nes. 1.

Segú ún la presió ón del vapo or a la salida a de la turb bina:

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• Turb binas de contrapres c sión: cuand do el vaporr a la salid da de la tu urbinase e encuentra a una presión superior a la atmossférica. • Turb binas de condensaciión: cuando o la presión a la salid da de la turrbina se e encuentra a una presiión ligeramente superior a la atm mosférica, por lo tanto se lleva d directamen nte al conde ensador. 2 2. Cuando se ne ecesita vap por a difere entes nivelles de pre esión se ha abla de t turbinas: • Turb binas de ex xtracción: para realizzar la extraccción se sittúa una pared que i interrumpe el flujo axia al del vapor a la altura a donde se quiere hacer la extraccción. • Con n toma de vapor: v se embrida e un tubo a la turbina a la a altura desseada y c con el diám metro calculado. Este e tipo de extracción e se usa cu uando el ca audal a e extraer no supera s el 40 4 % del flujjo total de la l turbina. 3 3. Segú ún el rango o de potencia se pueden emplear turbinass con una o varias e etapas. • Turb binas de una u solo ettapa: son la as habitualles para pe equeñas po otencias ( (1,5-2 MW)) • Turb bina multie etapas: el vapor v se va a expandiendo progre esivamente de una e etapa a otra a. 4 4. Tam mbién se pue eden clasifficar según el tipo de expansión e d vapor. del • Turb binas de ac cción: cuan ndo la expa ansión del fluido f se da a únicamen nte en el e estator. • Turb binas de reacción: r c cuando la expansión e del fluido se da tantto en el e estator com mo en el rottor. Figurra 42: Turbina de vap por multieta apas abierrta

Fuente: http://www.t h turbinadeva apor.es/turb binasvaporcentraleste ermosolaress.html

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3 MOTOR 3.3 RES DE CO OMBUSTIÓ ÓN EXTERNA Los primeros motore L es apareccieron en el siglo XIII X y eran n utilizado os para t transforma r diversas formas de e energía en e fuerza mecánica y movimiento, sin e embargo, su s verdaderro auge se dio a finale es del siglo IXX y princcipios del siiglo XX. Inicialmente e estas máquinas m t tuvieron do os versiones principa ales: moto ores de c combustión n interna y motores de d combustión extern na. A estoss se les de enominó m motores térrmicos. Un dispositivo por el cual se co onvierte en nergía térm mica en trabajo mecánico se motor térm d denomina mico. Los motores térmicos so on de doss tipos: mo otor de c combustión n externa: La combusstión de co ombustibles se lleva a cabo fu uera del c cilindro del motor, porr ejemplo, la máquina de vapor (la ( cual fun nciona bajo el ciclo Rankine o el ciclo Stirling). En lo os motoress de combu ustión intern na por su parte, p la c combustión n se lleva a cabo en el e interior de el cilindro del d motor, por p ejemplo o, motor d gasolina de a (ciclo Otto o) y el moto or diesel (ciclo Diesel).. Figura 43: Esque ema motor de combu ustión exte erna

Fuente e: http://ve.kalipedia.co om Un motor de d combustión externa es una máquina m qu ue realiza una u converrsión de e energía calorífica en energía me ecánica me ediante un proceso de combustión que s realiza fuera se f de la máquina, generalmen g nte para calentar agua a que, en fo orma de v vapor, será á la que rea alice el traba ajo. Esta dispo osición perm mite mayo or eficiencia a que en los motore es de com mbustión i interna deb bido a que la combusttión tiene lu ugar contin nuamente en e lugar de en una s serie de explosiones e s. Eficiencia as de hastta el 60% son teóriccamente posibles, f frente al 45 5% para loss motores diesel y no o mucho más del 30% % para el estándar e

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de los mo d otores Otto.93 En este e tipo de motores el e fluido qu ue experim menta el p proceso de e combustió ón, consta básicament b te de una mezcla m de aire a y comb bustible, l cual al quemarse la q d dentro de una u caldera a, le transfiere calor al a fluido de trabajo q irá pos que steriormente e a realizarr el trabajo.. Los dispositivos que pueden ussar este p principio pu ueden ser máquinas m a alternativas y máquinas rotativas.94 3 3.3.1 Moto or Stirling. El motor Sttirling fue in nventado en e 1816, sin n embargo es muy efiiciente además de p pequeño y liviano comparado o con loss demás motores con las mismas e especificac ciones de po otencia. Muchas firrmas europ M peas han mostrado m u renovad un do interés por los motores m S Stirling des sde la segu unda guerra a mundial, avances en e la metalu urgia y en general e la cienc en cia han ab bierto la po osibilidad de d eficiente es, compacctos y silenciosos m motores Sttirling. El ciiclo ideal que q describ be el compo ortamiento de estos motores m s denomin se na ciclo Stirrling y se de escribe a continuación n en la figurra 44. Figura a 44: Diagrramas P-V y T-S del ciclo c Stirlin ng.

Fuente e: Devins Delbert D W, Energy E its physical p imp pact on the environme ent. El ciclo con nsiste de una compressión isotérm mica en a--b seguida de una adiición de c calor a volu umen consstante en b-c, b luego una u expanssión a temp peratura co onstante e c-d y finalmente otro proceso a volumen constante desde d al inicio del ciclo. en c L eficienc La cia de este e ciclo es la relació ón entre el trabajo ne eto de salida y la e energía de e entrada en e cualquie er ciclo; estta eficiencia a expresad da en términos de t temperatur ra será:                                                              9 93 9 94

Utilization of B Biomass as Alterrnative Fuel for EExternal Combusstion Engines‐Co opyright © Taylo or & Francis Inc Ing. O. Jaimoviich ‐Máquinas d de combustión exxterna. Universid dad de Buenos A Aires 

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3 3.3.2 Máqu uina de vap por. Una máquina de vapo or es básica amente un dispositivo o que hace uso de la energía p presente en n el vapor en e forma de e presión y la transforrma en trab bajo mecániico. Las m máquinas de d vapor fu ueron usadas inicialmente en bo ombas, loco omotoras y barcos d vapor; fueron esenciales en de e para la revolución n industrial y en su tiempo r representa ron una pottencia que hasta ese entonces. e La máquina de vapo L or es un motor m de co ombustión externa po orque el va apor es p producido fuera del cilindro. c En n este tipo de motore es cualquie er fuente de d calor p puede ser usada perro la más común c es la l madera a o el carbón, su ene ergía es u usada para a hervir agu ua en una caldera c y de e esta mane era generarr vapor. Cuando el vapor calie C ente y com mprimido se e introduce en un cilin ndro con un n pistón m móvil, se ex xpande y ejerce e un em mpuje sobre e el pistón. Como resu ultado, el pistón se m mueve hac cia adelante e. Cuando el e pistón se e mueve, el vástago de el pistón em mpuja al c cigüeñal. El E cigüeñal gira la ru ueda y de e esta man nera, la en nergía térm mica se c convierte en e mecánica a. F Figura 45: Esquema E m máquina d vapor de

Fuente: http://avancces-cientificcos-notable es.blogspott.com

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L principales desventajas de la Las a máquina de vapor so on: • Hay muchas pé érdidas de calor c por la as grandes superficies expuestass. • No es e posible mantener m el vapor a allta tempera atura en tod do momento o. • El co onjunto horno-caldera a es demassiado pesa ado y volum minoso com mo para u usarse en vehículos. v • Debido al bajo punto de inflamación i n del carbón, el generrar suficiente calor l lleva mucho o tiempo. • El vapor v debe e mantene erse a mu uy altas presiones para p aume entar la e eficiencia. • La eficiencia e térmica es de e apenas un 20%. Esta serie de limitacio ones hizo que las má áquinas de e vapor fueran dando paso a o otro tipo de motore es más efficientes y compacto os con mejores m rela aciones p peso/poten ncia como lo os motoress de combu ustión intern na con los que se equ uipan la m mayoría de e los vehícu ulos en la actualidad, a o los motorres eléctrico os que tomaron su l lugar en n la gran mayoría m de e procesoss industriales donde se utilizab ban, sin e embargo hay h aplicacciones en las que todavía t se usan, existen locom motoras f funcionales s por ejemp plo. Figura a 46: Adap ptación de un motor frio f de com mbustión externa e a uno convenc cional

Fuente: htttp://soymin no.wordpresss.com Una de la as aplicacio ones más prometedo oras para los motore es de com mbustión e externa es el nuevo motor frio o de comb bustión ex xterna, figu ura 46; este e es un n nuevo des sarrollo con nsistente en e un kit que q se puede adaptar a los actuales a m motores de e combustión interna. Su funcio onamiento es relativa amente sen ncillo; la c combustión n se da en una cámara a fuera del motor, la presión p gen nerada se acumula a 162  

en otra cám e mara desde e donde se e dosifica a cada uno de los cilin ndros en la a misma s secuencia que tendrían las exp plosiones del motor co onvenciona al. Donde estaban e l los inyecto ores ahora habrá tobe eras para permitir p la entrada de e la presió ón a los c cilindros; al a trabajar directamen nte con prresión se evitan pérdidas por fricción d drásticame ente, así mismo, la temperatura de operacción será no otablementte más b baja (40-50 0 C) evitand do pérdidass de calor. El rendimie ento de estte nuevo motor m es d por lo menos de m el 80 0%. 3 REFRIIGERACIÓN 3.4 La necesid L dad de refriigerar se ha hecho evidente e de esde much ho antes de e la era i industrial y la vida moderna; m en n algunas de las civiilizaciones antiguas como c la c china o la romana se s empezó ó a utilizar el frio na atural (hielo o) para suplir sus n necesidade es de con nfort y con nservación de alime entos. Hayy escritos chinos, a anteriores al primer milenio m A.C C que describen cerem monias religiosas para llenar e invierno en o y vaciar en n verano só ótanos de hielo. h Fig gura 47: Co ortadores de d hielo en n el lago Sc cugog Can nadá. 1815

Fuente: F http p://www.scu ugogheritag ge.com/history/harvestt-ice.htm Los antiguo L os romanoss utilizaban n el hielo de e los Apeninos95, y se egún Las mil m y una n noches, en n la Edad Media M cara avanas de camellos transportab t ban hielo desde el L Líbano a lo os palacioss de los ca alifas en Da amasco y Bagdad.96 Los griego os y los r romanos comprimían c la nieve en pozos aislados con c pasto, paja y ram mas de                                                              9 95

Los Montes  Apeninos recor A rren  1.400 kiló ómetros del  no orte  al  sur  de Italia y  forma an  el  eje  princcipal  de  la  p península italia ana.  9 96 Biblioteca‐UP PC. UniversitattPolitècnica de Catalunya 

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árboles. La nieve comprimida se convertía en hielo para ser usado en épocas de mayor calor. Prácticas similares se extendieron hasta principios del siglo XIX. Refrigerar suele ser sinónimo de enfriar, pero hay que hacer una clara distinción entre ambas ideas, reservando la de refrigeración para cuando el enfriamiento ocurre a temperaturas por debajo de la atmosférica. Es común que en referencia a la refrigeración se hable de “producción de frio”, pero siendo estrictos, el fenómeno que realmente ocurre es extracción de calor de un espacio determinado. Existen diversos procedimientos que permiten la extracción de calor, todos basados en el hecho de que si entre dos cuerpos existe una diferencia de temperaturas, la transmisión de calor de uno a otro se puede efectuar por conducción y radiación y teniendo en cuenta que en todos los casos hace falta un aporte de energía para mantener esa condición de desequilibrio frente a la tendencia natural a la uniformización de la temperatura.97 Como se mencionó con anterioridad, hay varios métodos que hacen posible la refrigeración, a continuación se listan los principales: • Procedimientos químicos: Están basados en el uso de determinadas mezclas y disoluciones que absorben calor del medio que las rodea; se trata de procesos no continuos, de nulo interés y aplicación prácticos, sólo aptos para determinados trabajos de laboratorio. • Procedimientos físicos: Se puede conseguir un descenso de temperatura mediante procesos físicos, como la expansión de un fluido en expansores y en válvulas de estrangulamiento. • Sistemas basados en el cambio de estado de una sustancia: En estos sistemas interviene el calor latente del cambio de estado y se puede hacer la siguiente subdivisión: • Por fusión. • Por sublimación. • Por vaporización. • Circuito abierto (vaporización directa): El fluido capta el calor de la carga a enfriar y una vez ha modificado su estado ya no se vuelve a utilizar. • Circuito cerrado: El fluido se recupera con vistas a ser utilizado en un proceso cíclico. Así como existen métodos para refrigera, también existen máquinas que los utilizan y que hacen posible la refrigeración en la práctica; esta es su clasificación: • Máquinas de adsorción: En las que los vapores son captados mediante un absorbente sólido. • Máquinas de absorción: En las que los vapores que se forman añadiendo calor al sistema, son absorbidos y recuperados mediante un absorbente líquido.                                                              97

l. Martínez: TERMODINAMICA BASICA Y APLICADA‐ Biblioteca Universidad Politécnica de Madrid. 

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• Máquinas de compresión: En las que los vapores son aspirados y comprimidos mediante un compresor y licuados en un condensador; Los equipos frigoríficos a base de compresores de émbolos y funcionamiento automático, son los que se utilizan casi exclusivamente en los frigoríficos industriales. • Máquinas de eyección: en las que los vapores son arrastrados por el efecto Venturi que genera el paso de otro fluido a gran velocidad. 3.4.1 Aplicaciones de la refrigeración En la actualidad el sistema de refrigeración que más acogida tiene en el de compresión de vapor y sus aplicaciones tocan gran parte de las actividades que se consideran cotidianas. La mayoría de aplicaciones encajan en una de los siguientes sectores: • Refrigeración doméstica: Este campo se limita a congeladores y refrigeradores caseros. Las unidades domésticas son de tamaño pequeño y las potencias de estos aparatos fluctúan entre 1/20 y ½ HP y los compresores son de sellado hermético. • Refrigeración comercial: Se refiere al diseño, instalación y mantenimiento de unidades de refrigeración del tipo que se tienen en establecimientos comerciales para su venta al menudeo, restaurantes, hoteles, e instituciones que se dedican al almacenamiento, exhibición, procesamiento y distribución de artículos de comercio. • Refrigeración industrial: Con frecuencia se confunde con la refrigeración comercial pero se diferencia en el tamaño de las instalaciones y en que por lo general en este tipo de aplicaciones se necesita un empleado para su servicio. • Acondicionamiento de aire: esta aplicación puede ser para uso comercial o para requerimientos de confort. Por lo general no implica solo el control de temperatura del aire, sino también las condiciones de humedad, filtrado y limpieza del mismo. • Conservación de alimentos: Es una de las aplicaciones más ampliamente difundidas de la refrigeración, grandes cantidades de alimentos deben ser conservados mientras se almacenan así como mientras se transportan a sus respectivos lugares de consumo. 3.4.2 Refrigeración por compresión. Como se ha expuesto con anterioridad, este es el método de refrigeración más ampliamente difundido tanto en el área comercial como la doméstica e industrial y su principio de funcionamiento es relativamente sencillo: “Cuando un gas se expande, se enfría, mientras que cuando se comprime se calienta”. El ciclo ideal de compresión de vapor utiliza refrigerante como fluido de trabajo para absorber y posteriormente rechazar calor. La transferencia de calor permite

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que el cicllo de compresión de q e vapor red duzca la te emperatura a de un am mbiente c cerrado. El ciclo ideall de compre esión de va apor supon ne que el siistema es perfecto p b basado en la teoría termodinám t mica, por lo o tanto, dejja de lado cualquier pérdida 98 a asociada co on el rendim miento. Figura a 48: Esquema ciclo de refrigeración porr compresión de vapo or.

Fuente: http://e eltamiz.com m En el ciclo o ideal de compresió ón de vap por, figura 48, el refrigerante entra e al c compresor o (1). A me edida que el refrigera ante se com mprime, como vapor saturado a aumenta su u temperatura y presión (1-2). Después D de e el compre esor el refrigerante p pasa a trav vés del con ndensador. Se intercam mbia calor con el ento orno hacien ndo que e refrigera el ante se enfríe e y se e convierta a en un n líquido saturado s (2 2-3). A c continuació ón, el refrig gerante passa a travéss de la válvvula de exp pansión ca ausando q que la tem mperatura y la presión n disminuya an. (3-4). Debido D a la reducción de la t temperatur ra y la pressión, el refriigerante en ntra en el evaporador e como una mezcla s saturada. A medida que q el refrig gerante passa a travéss del evapo orador, abssorbe la e energía té érmica del medio am mbiente qu ue está tra atando de enfriar (4 4-1). El r refrigerante e sale del evaporador e r como vapo or saturado o y vuelve al compressor para c comenzar el e proceso de d nuevo.

                                                             9 98

Refrigeration nCycles‐ Matthew Cloutier 

166  

3.4.3 Refrigerantes De manera general, un refrigerante es cualquier cuerpo o substancia que actúe como agente de enfriamiento, absorbiendo calor de otro cuerpo o substancia. Desde el punto de vista de la refrigeración mecánica por evaporación de un líquido y la compresión de vapor, se puede definir al refrigerante como el medio para transportar calor desde donde lo absorbe por ebullición, a baja temperatura y presión, hasta donde lo rechaza al condensarse a alta temperatura y presión.99 En los años 1930, aparecieron los fluidos refrigerantes sintéticos a base de hidrocarburos halogenados (también llamados compuestos cloro-fluorocarbonados, o cloro-fluoro-carbonos, o simplemente CFC), principalmente el dicloro-diflúor-metano, CC12F2 o R-12 comercializados por la compañía Du Pont bajo el nombre de freones, los cuales son químicamente inertes, se consideraban biológicamente inocuos (hasta que en los años 70 se descubrió que descomponían la capa de ozono terrestre que protege la vida contra las radiaciones ionizantes).100 Se decidió descontinuar algunos de esos refrigerantes antes del año 2000101, tales como el R-11, R-12, R-113 y el R-115 debido al mencionado deterioro que causan a la capa de ozono. En su lugar, se están utilizando otros refrigerantes como el R123, el R-134a con propiedades termodinámicas similares pero con un impacto ambiental mucho menor. 3.4.3.1Efectos ambientales de los refrigerantes Los efectos perjudiciales de los refrigerantes se manifiestan directamente en su acción sobre la capa de ozono y por su incidencia en el efecto invernadero. Se ha demostrado que los refrigerantes CFC y en menor medida los refrigerantes HCFC son capaces de destruir la capa de ozono debido a la presencia de cloro en su molécula. Cuando se liberan estos refrigerantes, debido a la acción de los rayos ultravioletas, se van liberando de las moléculas de cloro a medida que ascienden hacia la atmósfera. Una vez en la estratosfera, la partícula de cloro reacciona con el ozono creando monóxido de cloro y oxígeno, a continuación el cloro se desprende del oxígeno monovalente, esto es lo que se llama ciclo cloro catalítico del ozono, destruyéndose así la capa de ozono (O3). Se estima que un solo átomo liberado de un CFC puede provocar una reacción en cadena que destruya 100000 moléculas de ozono.

                                                             99

EMERSON Climate Technologies‐ Disponible en internet en  http://www.emersonclimatemexico.com   l. Martínez: TERMODINAMICA BASICA Y APLICADA‐ Biblioteca Universidad Politécnica de Madrid.  101 Protocolo de Montreal‐1989.  100

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Tabla 9:: Sustancia as agotado oras de la capa de ozzono

Fuente: Unidad U Téccnica de Ozzono- REPÚ ÚBLICA DE E COLOMB BIA Ministerrio de a ambiente, V Vivienda y Desarrollo D T Territorial Para cuanttificar el po otencial de e destrucció ón de la capa c de ozzono que tiiene un r refrigerante e se ha ge enerado un n parámetro denomin nado ODP (Ozone De epletion Potential). Desde el protocolo de Montrreal a toda as las susstancias qu uímicas r reguladas se s le asigna a un valor ODP que van v desde el e 1 que co orresponde al R-11 p ser el compuesto por c de mayor poder p destructor hasta a el cero. 3 3.4.4.Colom mbia y el protocolo p d Montrea de al Colombia Ingresa al Protocolo C P d Montreal en 1992 mediante de m la a aprobació ón de la L 29 del Congreso Nacional. El Ley E gobierno o, la industria y la acad demia se re eúnen y p preparan el e Programa País, el cual es presentado en 1994 Con C los pro oyectos a aprobados se crea la Unidad Téccnica Ozon no (UTO) en n el mismo año. Colom mbia es a aceptada como c un país p perten neciente al artículo 5 del PM adhiriéndos a e a los b beneficios y comprom misos que essto implica.. 3 3.4.4.1Ava ances en la as medidas s de contro ol en Colom mbia • Reconversión industriial en la l fabrica ación de refrigera adores, d doméstico os y come erciales: Actualmente A e todas lass fábricas de refrigeradores d domésticos s en el paíss no utilizan n CFC, al igual i que muchos m de los fabricantes de r refrigerado res comercciales. • La te ecnología alternativa a e escogida p estos fa por abricantes utiliza u el ga as HFC134ª como o agente re efrigerante en lugar del CFC-12 y el gas HCFC-141b como a agente esp pumante de e poliuretano en lugar del d CFC-11 1. • Aire e acondic cionado móvil: m Se desarrolló un pro oyecto pilo oto de r recuperació ón y recicclaje de gases g refrrigerantes utilizados en sistem mas de

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acondicionamiento de aire, en automóviles, buses de pasajeros y transporte de carga refrigerados. • Capacitación y Certificación de técnicos de mantenimiento: El mayor consumo de gases refrigerantes agotadores de la capa de ozono en Colombia se presenta en el sector de mantenimiento en refrigeración, debido principalmente a la carencia de tecnologías que permitan un manejo responsable de SAO. Actualmente en coordinación con el SENA y laempresa privada en todo el país se realizan seminarios sobre buenas prácticas en refrigeración, recuperación y reciclaje de CFC-12.102 Además de estas iniciativas el ministerio adelantó otras acciones que tocaron la industria nacional en cuanto a la reducción de las SAO que se enfocan a sectores diferentes a la refrigeración.

                                                             102

buenas  prácticas  en  refrigeración,  recuperación  y  reciclaje  de  refrigerantes.  REPÚBLICA  DE  COLOMBIA  MINISTERIO DE AMBIENTE, VIVIENDA YDESARROLLO TERRITORIAL

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CAPÍTULO 4 PROCESOS DE CONVERSIÓN DE ENERGÍA

“Los nuevos materialesson la claveparaavancesfundamentalesen la conversióny almacenamiento de energía, los cualessonvitalesparahacer frente al desafíodel calentamiento global ylanaturalezafinitadelos combustiblesfósiles. Nanomaterialesenparticular,ofrecenpropiedadesúnicaso una combinación depropiedadescomo electrodosyelectrolitosen unagama dedispositivos deenergía”. Antonino Salvatore Aricò, Peter Bruce, Bruno Scrosati, Jean-Marie Tarascon&Walter van Schalkwijk103.

                                                             103

Istituto CNR‐ITAE, 98126 S. Lucia, Messina, Italy, School of Chemistry,   University of St Andrews, KY16 9ST, Scotland, Dipartimento di Chimica,   Università 'La Sapienza', 00186 Rome, Italy,   Université de Picardie Jules Verne, LRCS; CNRS UMR‐6047, 80039 Amiens, France,   EnergyPlex Corporation, 1400 SE 112th Avenue, Suite 210, Bellevue, Washington 98004, USA 

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INTRODUCCIÓN Tal y como postula el primer Principio de la Termodinámica, la energía no se crea ni se destruye, simplemente se transforma. La energía puede transformarse de una forma a otra, como por ejemplo de electricidad a calor o de calor a electricidad. Aunque el que pueda convertirse no significa que sea éste un proceso siempre fácil y tampoco que una de las conversiones será más costoso que la otra. Por ejemplo, la Física indica que 1kWh equivale a 800 Kcal y que 800 Kcal equivalen a 1kWh, aunque ello no implique que en la práctica con 860 Kcal se pueda obtener 1Kwh. De hecho, se obtiene mucho menos. En cambio, con 1 Kwh pueden obtenerse cerca de 860 kcal en la práctica. El rendimiento es un factor fundamental que marca la rentabilidad y eficacia de los diversos tipos de conversión de la energía. Esta paradoja se debe a que la energía tiene un valor cuantitativo que es su magnitud y otro, cualitativo, denominado entropía. Pasar de una forma de energía de alta calidad o baja entropía a otra de forma de baja calidad o de alta entropía resulta mucho más fácil que la transformación inversa104. Sin embargo, los seres humanos a lo largo de su historia han inventado diversos artefactos que posibilitan también la conversión energética. La eficiencia con la que esta transformación se produce está directamente relacionada con la proporción entre su forma final y su forma inicial y también depende de las leyes físicas y químicas que gobiernan la conversión.

                                                             104  http://www.ambientum.com/enciclopedia/enciclo_ener.htm   

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4.1 CONVERSIÓN QUÍMICA En el caso de necesitarse electricidad en una situación en la que no se dispone de una línea eléctrica que suministre la electricidad producida en una central eléctrica, por ejemplo en un vehículo que se desplaza, una radio portátil o una linterna, se recurre a una forma u otra de batería. Una batería es un conjunto de células electrolíticas utilizadas para suministrar una provisión de corriente eléctrica continua o directa. Una pila eléctrica es un dispositivo que convierte energía química en energía eléctrica por un proceso químico transitorio, tras de lo cual cesa su actividad y han de renovarse sus elementos constituyentes, puesto que sus características resultan alteradas durante el mismo. Se trata de un generador primario. Esta energía resulta accesible mediante dos terminales que tiene la pila, llamados polos, electrodos o bornes. Uno de ellos es el polo negativo o ánodo y el otro es el polo positivo o cátodo. Batería, batería eléctrica, acumulador eléctrico o simplemente acumulador, se le denomina al dispositivo que almacena energía eléctrica, usando procedimientos electroquímicos y que posteriormente la devuelve casi en su totalidad; este ciclo puede repetirse por un determinado número de veces. Se trata de un generador eléctrico secundario; es decir, un generador que no puede funcionar sin que se le haya suministrado electricidad previamente mediante lo que se denomina proceso de carga. 4.1.1 Conversión electroquímica La conversión electroquímica es la conversión de energía química en energía eléctrica o viceversa. La conducción iónica en los electrólitos, tales como soluciones líquidas, sales fundidas y ciertos sólidos iónicamente conductores, constituye una fase de la electroquímica. La conducción en metales, semiconductores y gases se considera, por lo general, parte de la física. Uno de los dispositivos que posibilitan la conversión electroquímica son las denominadas células de combustible. Éstas convierten la energía química de un combustible directamente en energía eléctrica en un proceso continuo. La eficiencia de esta conversión puede hacerse mucho mayor que la que se obtiene por la conversión de energía térmica en potencia. En este último caso, se efectúa la reacción química para producir calor por combustión. Después, el calor se transforma parcialmente en energía mecánica por medio de una máquina térmica que impulsa un generador para producir energía eléctrica. Todavía hay más pérdidas si la corriente continua generada, se convierte en corriente alterna. La

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rreacción en e la celda a de comb bustible cassi siempre implica la a combinacción de h hidrógeno con c oxígeno105. Si la energía libre que S e contiene la l sustancia a se almaccena dentro o del dispossitivo en v vez de fluir f en el e mismo, entonces se deno ominan ba aterías priimarias. Un disposittivo que ha ace la funció ón inversa, es decir, convierte c en nergía elécctrica en e energía química, cono ocido como o electrólisis del agua disociándo ola en hidró ógeno y o oxígeno, se e denomina a célula ele ectrolítica. La L energía necesaria en e células de este t tipo puede no ser eléctrica, y en n ese caso el proceso o sería fotoq químico en vez de e electroquím mico. Si el mism S mo disposittivo se pue ede utilizarr para haccer la convversión en ambas d direcciones s o si la ene ergía libre que q contien ne la sustan ncia puede regenerarsse fuera d mismo, añadiendo energía, y reciclarse a travé del és de la cé élula, enton nces se d denomina ativa. O bien, si la energía lib bre que célula de combustión regenera c contiene la a sustancia a se almaccena dentro o del dispo ositivo, se denomina batería r regenerativ va o secund daria. Los compo L onentes bá ásicos de un u dispositiivo electroq químico so on dos elecctrodos, á ánodo y cátodo, y un u electrolitto intermed dio que se ea capaz de d transferiir iones p positivos desde d el án nodo al cá átodo o neg gativos en dirección opuesta. Por P otra p parte, el co orrespondie ente flujo de d electrones en el circuito exte erno, del ánodo al c cátodo, da lugar a la correspond c iente energ gía eléctrica a. 9: energía electroquíímica Figura 49

mica-2010.b blogspot.co om/2010/09 9/guia-electroquimica.h html Fuente: http://quim                                                              1 105  http://ww ww.fisicanet.co om.ar/quimicca/electrolisiss/ap03_pilas.php  173  

Combinand C do una célu ula de combustible co on una célu ula electrolíítica se obttiene un s sistema reg generativo. Y si el hid drógeno y el e oxígeno se s almacen nan, se obttiene un s sistema de e almacena amiento de energía. La L energía requerida por la ele ectrólisis p puede pro ovenir de un procceso interm mitente de e converssión de energía: e a aerogenera ador, célula a solar, etc. 4 4.1.2 Celda as de combustible Una celda de combusstible es un dispositivo oelectroquím mico que co onvierte la energía q química de e unareaccción directa amente en energía eléctrica. e P ejemplo Por o,puede g generar electricidad combinand do hidróge eno y oxígenoelectroq químicame ente sin n ninguna co ombustión. Estas celd dasno se agotan como lo haríía una battería, ni p precisan re ecarga, ya que producirán energ gía en form ma de electtricidad y calor c en t tanto se les s provea de e combustib ble. En la práctica, la corrosión c y la degrada ación de m materiales y compone entes dela celda c puede en limitar su vida útil. La manera en que o operan es mediante una u celda electroquím mica consisstente en dos d electrod dos, un á ánodo y un n cátodo, separados s p un elecctrólito. El oxígeno por o prroveniente del aire p pasa sobre e un electrodo y el hidrrógeno gas pasa sobre e el otro. 0: compon nentes de una u celda de d combus stible Figura 50

Fuente: ins stituto de ciencias de materiales de Aragón, universida ad de Zarag goza106

                                                             1 106

 Disponible e en: http://www w.unizar.es/icm ma/divulgacion n/celdascomb..html 

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Cuando el hidrógeno C o es ioniza ado en elá ánodo se oxida y pierde un electrón; e a alocurrir es sto, el hidró ógeno oxida ado (ahora en forma de d protón) y elelectrón n toman d diferentes caminosmig c grando haccia el segun ndo electrod dollamado cátodo. c El hidrógen no lo hará através a del electrólito mientras m qu ue elelectró ón lo hace a través d un mate de erialconductor externo o (carga). Al A final desu u camino am mbos se vu uelven a r reuniren el e cátodo donde occurre la re eacciónde reducción o ganan ncia de e electronesd del oxígeno o gas para formar agua juntocon el hidróg geno oxidad do. Así, e esteproces so produce agua 100% % pura,corriente eléctrica y calor útil, (figura 51). A diferencia a de las má áquinas de ecombustión n cuya eficciencia está á regidapor el ciclo d Carnot y limitada de a por latem mperatura, la eficienccia teórica de lasceldas de c combustible e está dad da porlas le eyes de Fa araday, que e relaciona an directam mente la c corriente producida p e enuna reaccción electtroquímica con lacan ntidad de material m r reactivo, es s decir,con la cantida ad de comb bustible. La amayor ven ntaja de lass celdas d decombust tible descansa realme ente en elhecho de que no esstán limitad das por l latemperatu ura, lo cual les otorga el granben neficio de allcanzar alta as eficiencia as. Figura F 51: configurac ción típica de una pilla de comb bustible

Fuente: ce eldas de com mbustible una u alternattiva amigab ble con el medio m ambie ente en la generación de pote encia y su im mpacto en el desarrolllo sosteniblle de Colom mbia en el siglo XXI X 107                                                              1 107

 Francisco accuña Garrido, ingeniero mecánico en el dep partamento dee ingeniería meecánica, Univerrsidad del  N Norte, miembr ro del grupo dee investigación,, Gas natural yy termodinámicca, Ventura Muñoz Yi, ingeniiero  m mecánico, M.S Sc en ingeniería a ambiental, deepartamento d de ingeniería m mecánica, Universidad del No orte. 

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Así, en teoría, cada molécula dehidrógeno gas producirá doselectrones libres y junto con unátomo de oxígeno reducido segenerará una molécula de agua. Talreacción electroquímica es exotérmica,por lo que además el calordesprendido puede ser utilizado y asíaumentar la eficiencia de las celdas decombustible. Estas características de lograr alta eficiencia durante la generación de electricidad y la ventaja de presentar cero emisiones contaminantes cuando el combustible hidrógeno hacen de las celdas de combustible los mejores candidatos para la generación de energía eléctrica. Por otra parte, también ofrecen la posibilidad de utilizar casi cualquier combustible que contenga hidrógeno, aunque hidrocarburos como el gas natural, metanol, etanol, biogás y propano, así como el diesel y la gasolina son los que mayor atención han recibido por razones de tipo práctico. La reacción de óxido reducción que tiene lugar en una celda de este tipo genera agua y calor como productos de reacción. Dichas reacciones son: Reacción en el ánodo: 2 Reacción en el cátodo: Reacción general: 2

4 4

2

4 (1) 4 2 (3)

(2)

El producto las reacciones en una celda H2/O2 es agua y calor, como se aprecia en la reacción (3). Las celdas de combustible pueden clasificarse de diversas formas: según el combustible utilizado (i.e., la celda H2/O2), de acuerdo con la temperatura de operación (baja, intermedia o alta), según el electrolito (de membrana, de óxido sólido, etc.). A continuación se hará una breve descripción de los dos tipos de celdas que han alcanzado un mayor desarrollo y sus aplicaciones de acuerdo con el tipo de combustible y por consiguiente a la potencia eléctrica generada. También presentaremos una relación entre estas y los biocombustibles, que representan una alternativa viable para operar celdas de combustible. 4.1.2.1 Tipos de pilas de combustible. Generalmente las pilas de combustible se clasifican en función del tipo de electrolito que utilizan. Las principales diferencias entre ellas son las temperaturas a las que operan, la pureza del combustible que utilizan, los rendimientos y las aplicaciones en las que pueden utilizarse, tabla 10

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Tabla 10: tipos de pilas de combustible

Fuente: instituto de ciencias de materiales de Aragón, universidad de Zaragoza108 4.1.2.2 Las leyes que describen la electrólisis son:109 1. El cambio químico producido en la electrólisis es proporcional a la carga de electricidad que pasa por la celda. 2. La carga requerida para depositar o liberar una masa m viene dada por la ley de Faraday Y está dada por la siguiente ecuación

Donde A es la cantidad de material depositada en gramos, I es la corriente continua en amperios, t es el tiempo de la deposición en segundos, W es el peso y es la molecular del material, F es una contante de Faraday 96.493 / valencia del material. 4.1.3 Eficiencia de la conversión química El rendimiento de las células de combustible, a diferencia de los motores de combustión (interna y externa), no está limitado por el ciclo de Carnot ya que no siguen un ciclo termodinámico. Por lo tanto, su rendimiento es muy alto en                                                              108

 Disponible en: http://www.unizar.es/icma/divulgacion/celdascomb.html   Cano Castillo Ulises, celdas de combustible, verdades sobre la generación de electricidad limpia y  eficiente vía electroquímica, Boletín iie, sept de 1999.  109

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comparación, al convertir energía química en eléctrica directamente. El rendimiento de una celda de combustible , bajo condiciones estándares está limitado por el cociente entre la variación de la energía libre (estándar) de Gibbs∆ , y la variación de la entalpía estándar de la reacción química completa∆ . El rendimiento real es igual o normalmente inferior a este valor. ∆ ∆ Una célula de combustible convierte normalmente la energía química de combustible en electricidad con un rendimiento aproximadamente del 50%. El rendimiento sin embargo depende en gran medida de la corriente que circula a través de la celda de combustible: cuanto mayor es la corriente, menor el rendimiento. 4.1.4Acumulador eléctrico o pila Se llama acumulador eléctrico, o simplemente acumulador, a un dispositivo que almacena energía eléctrica por procedimientos electroquímicos y que a devuelve posteriormente en su casi totalidad. Este ciclo puede repetirse determinado número de veces. Se trata de un generador eléctrico secundario, es decir, de un generador que no puede funcionar a no ser que se le haya suministrado electricidad previamente mediante lo que se denomina proceso de carga. También se le suele denominar batería110, puesto que muchas veces se conectan varios de ellos en serie, para aumentar el voltaje suministrado. Así la batería de un automóvil está formada internamente por 6 elementos acumuladores del tipo plomo-ácido, cada uno de los cuales suministra electricidad con una tensión de unos 2 V, por lo que el conjunto entrega los habituales 12 V o por 12 elementos, con 24 V para los camiones. El término pila, en castellano, denomina los generadores de electricidad no recargables. Tanto pila como batería son términos provenientes de los primeros tiempos de la electricidad, en los que se juntaban varios elementos o celdas—en el primer caso uno encima de otro, "apilados", y en el segundo adosados lateralmente111, "en batería"— como se sigue haciendo actualmente, para así aumentar la magnitud de los fenómenos eléctricos y poder estudiarlos sistemáticamente. De esta explicación se desprende que cualquiera de los dos nombres serviría para cualquier tipo, pero la costumbre ha fijado la distinción. 4.1.4.1 Principios de funcionamiento del acumulador. El funcionamiento de un acumulador está basado esencialmente en algún tipo de proceso reversible,                                                              110  http://www.sapiensman.com/electrotecnia/pilas_y_baterias.htm  111  Battery Reference Book 3Edision, T.R. Crompton  178   

es decir, un proceso cuyos componentes no resulten consumidos ni se pierdan, sino que meramente se transformen en otros, que a su vez puedan retornar al estado primero en las circunstancias adecuadas. Estas circunstancias son, en el caso de los acumuladores, el cierre del circuito externo, durante el proceso de descarga, y la aplicación de una corriente, igualmente externa, durante el de carga.112 Resulta que procesos de este tipo son bastante comunes, por extraño que parezca, en las relaciones entre los elementos químicos y la electricidad durante el proceso denominado electrolisis y en los generadores voltaicos o pilas. Los investigadores del siglo XIX dedicaron numerosos esfuerzos a observar y a esclarecer este fenómeno, que recibió el nombre de polarización. Un acumulador es así un dispositivo en el que la polarización se lleva a sus límites alcanzables y consta en general de dos electrodos, del mismo o de distinto material, sumergidos en un electrolito. 4.1.4.2 Clasificación de las pilas y baterías. Las pilas y las baterías se pueden clasificar en dos grandes grupos: • Primarias: cuya carga no puede renovarse cuando se agota, excepto reponiendo las sustancias químicas de que está compuesta. En la fabricación de una pila primaria se pueden emplear diversas sustancias químicas, pero el principio que rige su funcionamiento será siempre el mismo. Así en la pila primaria, hay dos metales diferentes, o bien un metal y carbón (estos elementos son designados electrodos), y un líquido, denominado electrolito. Uno de estos elementos llamado el cátodo, o sea el polo negativo, es generalmente de cinc; el positivo, denominado ánodo, es casi siempre de carbón. Las reacciones químicas que tienen lugar, hacen que el cátodo se disuelva poco a poco en el electrólito, lo cual pone en libertad a electrones que, de encontrar un conductor o sistema que conecte a ambos electrodos, por donde puedan circular, producen una corriente eléctrica113. • Secundarias: en las que la transformación de la energía química en eléctrica es reversible, por lo que se pueden recargar. Por tanto la cantidad de residuos generados es mucho menor. 4.1.4.2.1

Pilas primarias.Además las pilas primarias se pueden clasificar en:

• Pila Zinc-Carbón La pila más popular y más utilizada es la del tipo zinc-carbón, a veces denominada Le Clanche. En esta pila el electrodo positivo es de carbón (C) y el negativo de                                                              112  http://www.alihuen.org.ar/informacion‐en‐general/informacion‐sobre‐pilas‐y‐baterias.html  113

 Encyclopedia of Energy Engineering and Technology ‐ 3 Volume Set, Fuel Cells Low Temperature, Fuel Cells  Intermediate and High Temperature. 

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zinc (Zn). El electrolito es un producto químico conocido como cloruro de amonio (NH4CI), frecuentemente llamado sal de amoníaco. El electrodo negativo es de la forma del recipiente y contiene la totalidad de la pila. El elemento positivo tiene la forma de una varilla de carbón y está colocada en el centro de la pila. El electrólito está mezclado con almidón o con harina formando una pasta114. Es decir que una pila seca, realmente no es "seca". En efecto, cuando el electrólito se seca, la pila deja de funcionar. Alrededor del electrodo de carbón se coloca una capa de dióxido de manganeso (MnO2) finamente pulverizado que actúa como despolarizador. Cuando la pila trabaja correctamente, entre los terminales positivo y negativo aparece una diferencia de potencial (o voltaje) de 1,6 volts. Cuando la pila se "agota", ya sea porque se ha secado el electrólito, o porque se ha comido la cubierta de zinc, la tensión entre los terminales disminuye. Alrededor de 1,1 volts (descargada) este tipo de pila es inútil para la mayoría de las aplicaciones ya no puede volver a cargarse, y debe ser descartada. Combinaciones diferentes de distintos metales y electrólitos pueden producir diferentes voltajes entre los terminales. Sirven para aparatos sencillos y de poco consumo, son las de menor precio. Se pueden encontrar en los modelos AA, AAA y alta potencia. Pueden ser utilizadas en mandos por control remoto, linternas, relojes, o radio transistores, siempre que el consumo de energía no sea demasiado grande. • Pila Alcalinas de Magnesio Las pilas alcalinas y baterías alcalinas (una batería es un conjunto de varias celdas electroquímicas individuales) son un tipo de pilas eléctricas desechables o baterías recargables que obtienen su energía de la reacción química entre el zinc y el dióxido de manganeso (MnO2), empleando hidróxido de potasio como electrolito. Las pilas y baterías alcalinas reciben su nombre porque contienen un electrolito alcalino de hidróxido de potasio, en lugar del cloruro de amonio en medio ácido o el cloruro de zinc electrolítico de la pilas de zinc-carbono que ofrecen el mismo voltaje nominal y el mismo tamaño físico. Otros sistemas de pilas y baterías también utilizan electrolitos alcalinos, pero emplean distintos materiales activos en los electrodos. • Pilas alcalinas En comparación con las pilas de zinc-carbono de Leclanché o con las de cloruro de zinc, aunque todas producen aproximadamente 1,5 voltios por celda o célula,                                                              114

 http://cb10laura.blogspot.com/2011/04/pilas.html 

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las pilas alcalinas tienen una densidad de energía mayor y una vida útil más larga. En comparación con las pilas de óxido de plata, contra las que habitualmente compiten las alcalinas en el formato de botón, tienen menor densidad de energía y menor duración pero también más bajo costo115. Aparatos de uso diario como aparatos auditivos y equipos fotográficos, como mandos a distancia, cámara digital, reproductor MP3 y juguetes con motor. • Pila Oxido de Mercurio Otro tipo de pila primaria es la de zinc-óxido de mercurio, inventada a mediados del siglo XX. La pila consiste en un electrodo negativo de zinc amalgamado ya sea en polvo o en láminas corrugadas. El electrodo positivo es una mezcla de óxido de mercurio y grafito, moldeado a presión, contenidos en un envase de acero. El electrólito es una solución de hidróxido de potasio y óxido de zinc. Se utiliza material celulósico como separador y para empastar el electrólito. El voltaje de esta pila cuando no se la utiliza es de 1,34 volts, pero con un drenaje normal de corriente, esta tensión cae entre 1,31 y 1,24 voltios. Comparadas con la mayoría de los otros tipos de pilas primarias, las de zinc-óxido de mercurio poseen ventajas116. El voltaje durante su vida útil (ciclo de descarga) es prácticamente constante, y su capacidad para proveer electrones al electrodo negativo es superior a la pila zinc-carbón. Permite una corriente relativamente alta, que puede mantener durante un tiempo considerablemente largo. Estas condiciones se cumplen aún a temperaturas altas. Sin embargo las pilas zinc-mercurio son relativamente caras y su aplicación se encuentra principalmente donde su reducido tamaño (12 a 25 mm de diámetro y cuanto más 25 mm de altura) constituye una ventaja. Algunas de sus aplicaciones son: aparatos para sordos, radios portátiles, equipos de comunicaciones, instrumentos eléctricos, instrumental científico, y en algunos casos como voltaje de referencia. Una ventaja interesante de ésta pila, es su capacidad para mantener un voltaje constante durante toda su vida útil. En muchas aplicaciones, el voltaje de esta pila se usa como patrón con el cual se ajustan instrumentos de medida. Primer tipo de pilas botón comercializado, desde los años 50. Empleadas sobre todo en audífonos, también aparatos electrónicos (cámaras fotográficas relojes, etc.). A consecuencia de la eliminación de mercurio en las alcalinas de formato normal, han pasado a ser con mucho el tipo de pila más contaminante.

                                                             115

 The TAB Battery Book, Michael Root, An In‐Depth Guide to Construction, Design, And Use.  Disponible  en  internet  en:  http://www.alihuen.org.ar/informacion‐en‐general/informacion‐sobre‐pilas‐y‐ baterias.html 

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• Pila Oxido de Plata Este sistema se fabrica predominantemente como pila botón hasta las dimensiones más ínfimas. Su estructura se parece a la de las pilas manganesoalcalinas. En lugar de bióxido de manganeso, sirve como material de cátodo el óxido de plata en forma de comprimido. El ánodo es de polvo de cinc. Las pilas de óxido de plata proporcionan un voltaje mayor al de las de óxido de mercurio aproximadamente 1.5 V y están hechas para cargas ligeras117. Las pilas de este tipo precisan de materias primas muy caras. Por ello, su uso se limita a aplicaciones que exigen una pila de gran energía y alta capacidad de carga en espacios muy reducidos: calculadoras, relojes electrónicos y cámaras fotográficas. • Pila Zinc-Aire Las baterías de zinc-aire utilizan O2 desde el aire como el material del cátodo activo118. O2 se difunde por el cátodo y, después de llegar a la interfaz de cátodo con el electrolito alcalino, es catalíticamente reducida, porque un material del electrodo activo (O2) está fuera de la célula, y el otro (Zn) ocupa la mayor parte del volumen celular. La capacidad de la celda sólo depende del ánodo, y, ya que la cantidad de Zn que se pueden almacenar en un determinado volumen es aproximadamente el doble de las células o Zn/MnO2 Zn/Ag2O, la energía de la pila Zn-aire es muy alta tanto a gravimétricos y una base volumétrica. Se las distingue por tener gran cantidad de agujeros diminutos en su superficie. Tienen mucha capacidad y una vez en funcionamiento su producción de electricidad es continua. Contienen más del 1 % de mercurio, por lo que presentan graves problemas residuales. Zn-aire pilas de botón aportan aproximadamente 1.4V y tienen capacidades en el rango de 40-600 mAh, que se entregarán a tasas bajas (0,4-2 mA). Tienen una excelente vida de 1-3 meses de funcionamiento. Las pilas primarias Zn-aire, en su factor de forma de botón, son especialmente diseñado para suministrar energía a los audífonos. Algunas de sus características, también es útil para otros dispositivos electrónicos, son que tiene mayor densidad de energía para las baterías en miniatura, tienen excelente vida útil (antes de la activación) y bajo coste. Además de los audífonos, célula primaria de Zn-aire se puede utilizar, por ejemplo, en Monitores cardiacos telemetría (8.4V batería), Estimulación del crecimiento óseo (también con una batería multicelulares), receptores de las Telecomunicaciones (buscapersonas, dispositivos de correo electrónico, etc.).

                                                             117 118

 http://www.fisicanet.com.ar/quimica/electrolisis/ap03_pilas.php   power supply & battery charger book 

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4 4.1.4.2.2

Baterías s secundarrias

• Bate ería Plomo o-Acido L batería de un automóvil como La o se muestra en la figu ura 37está constituida a por un c conjunto de e acumulad dores de plo omo. Cada a uno contie ene dos pla acas de plomo que Los orificio a adoptan la forma de rejillas para aumenta ar el área superficial. s os de la r rejilla negativa se llenan con plomo esponjo oso; los de la rejilla po ositiva con bióxido d plomo. El conjunto de o de célula as secunda arias formad das por un na serie de e placas a alternadas de plomo y bióxido de d plomo, se s sumerge en en una solución de ácido 119 s sulfúrico en e agua destilada d . Tanto el e plomo como c el bióxido b de plomo r reaccionan con el áccido sulfúricco y forman sulfato de d plomo y agua. Se liberan i iones de hidrógeno h p positivo e iones de sulfato s neg gativos. El sulfato de e plomo r resulta prác cticamente insoluble en e el electrrólito, y form ma un depó ósito blanco sobre l placas. Cuando ambos las a conjuntos de placas p están cubiertoss, la batería a se ha a agotado, o está desccargada, po orque ya no o hay diferrencia de potencial p entre las p placas. Figura 52: Parttes de una batería plo omo - acid do

h inable-tech.inf.um.es/iinformacion n.html Fuente: http://sustai

                                                             1 119

 Conversión de la luz solar en energía elééctrica, Manua al Teórico y Prá áctico sobre loss Sistemas Foto ovoltaicos,  ccapitulo 5, ING G. Héctor L. Gassquet. 

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Cuando una corriente continua externa se conecta con las placas para recargarlas, los iones de hidrógeno emigran a las placas negativas y los iones de sulfato a las positivas. Vuelve a formarse plomo esponjoso en las placas negativas, y bióxido de plomo en las positivas. Si la batería recargada se conecta, por ejemplo con el circuito de un automóvil, comienza a descargarse. Es decir, suministra electricidad al circuito hasta que nuevamente se descarga. El voltaje nominal de una célula de plomo es aproximadamente de dos voltios, y una batería de automóvil generalmente consiste en seis células conectadas en serie, de modo que se obtienen doce voltios en las terminales de la batería. La electricidad se genera directamente mediante reacciones químicas, por ejemplo, combinación de oxígeno con hidrógeno en presencia de electrodos adecuados, con formación de agua. Como esta sustancia es importante para los astronautas, tales pilas se han utilizado en satélites artificiales. •

Batería Litio-Ion

La batería de iones de litio, también denominada batería Li-Ion, es un dispositivo diseñado para almacenamiento de energía eléctrica que emplea como electrolito, una sal de litio que procura los iones necesarios para la reacción electroquímica reversible que tiene lugar entre el cátodo y el ánodo. Se han hecho pilas que no tienen separación alguna entre el ánodo y el cátodo líquido, algo imposible con pilas de sistema acuoso120. Su desarrollo es más reciente, y permite llegar a altas densidades de capacidad. No admiten descargas, y sufren mucho cuando éstas suceden por lo que suelen llevar acoplada circuitería adicional para conocer el estado de la batería, y evitar así tanto la carga excesiva, como la descarga completa. Apenas sufren el efecto memoria y pueden cargarse sin necesidad de estar descargadas completamente, sin reducción de su vida útil. No admiten bien los cambios de temperatura. Una capa protectora se forma automáticamente en el litio, pero esta se rompe en la descarga permitiendo voltajes cercanos a los 3.6 volts. Esto permite una gran densidad energética. Voltaje proporcionado: 1. A Plena carga: Entre 4.2V y 4.3V dependiendo del fabricante. 2. A carga nominal: Entre 3.6V y 3.7V dependiendo del fabricante. 3. A baja carga: Entre 2,65V y 2,75V dependiendo del fabricante (este valor no es un límite, se recomienda). Las propiedades de las baterías de Li-ion, como la ligereza de sus componentes, su elevada capacidad energética y resistencia a la descarga, la ausencia de efecto memoria o su capacidad para operar con un elevado número de ciclos de regeneración, han permitido el diseño de acumuladores livianos, de pequeño                                                              120

 Battery Technology Handbook, Second edition, H.A. Kiehne 

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tamaño y variadas formas, con un alto rendimiento, especialmente adaptados para las aplicaciones de la industria electrónica de gran consumo. Desde la primera comercialización a principios de los años 1990 de un acumulador basado en la tecnología Li-ion, su uso se ha popularizado en aparatos como teléfonos móviles, agendas electrónicas, ordenadores portátiles y lectores de música. Su rápida degradación y sensibilidad a las elevadas temperaturas, que pueden resultar en su destrucción por inflamación o incluso explosión, requieren en su configuración como producto de consumo, la inclusión de dispositivos adicionales de seguridad, resultando en un coste superior que ha limitado la extensión de su uso a otras aplicaciones. Sus usos varían desde la aeronáutica, marcapasos a cámaras automáticas. •

Pila Níquel-Cadmio

Los grupos de placas positivas y negativas están entremezcladas y colocadas en un recipiente de plástico. Durante la carga y la descarga de un acumulador de níquel-cadmio, no hay prácticamente cambios. En la densidad del electrólito. Éste actúa solamente como un conductor para transferir los iones hidróxido de un electrodo al otro, dependiendo esto de la condición de carga de la pila. La pila níquel-cadmio es de desarrollo más reciente y ha encontrado considerable uso en equipos electrónicos portátiles. Es una pila que puede soportar sobrecargas ya sea en su régimen de descarga o de carga, o permanecer descargada durante mucho tiempo. Siendo una pila secundaria puede ser recargada. Estando completamente cargado, el electrodo positivo de la pila níquelcadmio, es hidróxido de níquel, mientras el negativo es cadmio metálico. El electrólito es hidróxido de potasio121. El voltaje medio de trabajo, bajo condiciones normales es de 1,2 volts. Los acumuladores de níquel-cadmio se fabrican en una amplia variedad de tamaños y formas, siendo los más populares de ellos los tipos rectangulares de cierre hermético, y los cilíndricos de “botón”. En el tipo de placa sintetizada, las placas están dispuestas en grupos y conectadas por cintas soldadas y separadas por distanciadores. Las pilas y baterías de Níquel-Cadmio son las más comunes y más usadas: Cerca del 80 % de las baterías recargables son de níquel cadmio (NiCd). Pueden recargarse cientos de veces, lenta o muy rápidamente.

                                                             121

 Encyclopedia of Energy Engineering and Technology ‐ 3 Volume Set, Fuel Cells Low Temperature, Fuel Cells  Intermediate and High Temperature 

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Figura 53: partes p de una u batería a Níquel – cadmio c ma arca Nife

Fuente: http://www w.nife.mx/productos-baterias-alca alinas-nique el-cadmio.h html • Bate ería de Níq quel-hidrurro metálico o Una batería de níque el-hidruro metálico m (Ni-MH) es un u tipo de batería b reccargable q utiliza un ánodo de oxidróxido de níqu que uel (NiOOH H), como la a batería de e níquel c cadmio, pe ero su cáto odo es de una aleacción de hid druro metálico. Esto permite e eliminar el costoso (yy medioam mbientalmen nte peligrosso) cadmio o a la vez que se b beneficia de una mayyor capacida ad de carga (entre do os y tres ve eces la de una u pila d NiCd del de d mismo tamaño y peso) y un u menor efecto e mem moria. Por contra, p presentan una mayorr tasa de autodescarg a ga que lass de NiCd (un 30% mensual m f frente a un 20%), lo o que hace e que esta as se perp petúen en nichos de e largos p periodos en ntre consum mo (como lo os mandoss a distancia a, luces de emergencia, etc.), m mientras qu ue son desplazadas por las NiMH H en el de consumo c co ontinuo. Cada célula de Ni-M C MH puede proporcio onar un vo oltaje de 1,2 1 voltios y una c capacidad entre 0,8 y 2,9 ampe erio-hora. Su S densida ad de energ gía llega a los 80 W Wh/kg. Este tipo de ba aterías se encuentran e n menos afe ectadas porr el llamado o efecto m memoria, en e el que en n cada reca arga se limita el voltaje o la capa acidad (a ca ausa de u tiempo largo, un l una alta temperatura, o un na corriente e elevada),, imposibilittando el u de toda uso a su energíía. Los ciclo os de carga a de estas baterías b oscilan entre las 500 y 700 carg gas, alguno os de sus inconvenie entes son las "altas" temperaturras que a alcanzan en las carga as o en los usos. u Las aplicac L ciones de la as baterías NiMH para a vehículoss incluyen to odos los ve ehículos d propulsiión totalme de ente eléctricca como ell General Motors M EV1 1, Honda EV E Plus, 186  

Ford Ranger EV y el scooter Vectrix. Vehículos híbridos como el Toyota Prius, Honda Insight o las versiones híbridas de los Ford Escape, Chevrolet Malibu y Honda Civic Hybrid también las utilizan. El transporte público de la ciudad de Niza (Francia) cuenta con el tranvía de piso bajo Alstom Citadis. Varios modelos de robot la utilizan entre ellos el célebre prototipo humanoide ASIMO diseñado por Honda. 4.1.5 Impacto en el medio ambiente Como puede comprobarse, todas tienen una característica común: estar compuestas por sustancias altamente contaminantes y tóxicas como son los metales pesados: Zinc, Cadmio, Mercurio, Plomo, Níquel, etc. Los metales pesados son sustancias muy persistentes en el medio ambiente al no ser degradables ni química ni biológicamente, por lo que permanecen en el medio, incorporándose a las cadenas tróficas y acumulándose en los tejidos de los seres vivos hasta alcanzar niveles tóxicos. Los residuos de las pilas y acumuladores se clasifican, por tanto, como residuos peligrosos para la salud y el medio ambiente. 4.1.5.1 Reciclaje de pilas y baterías.El reciclaje de pilas y baterías consiste en segregar y separar el mercurio de otros metales y del resto de materiales que constituyen la pila. El proceso requiere de su trituración, excepto en el caso de las pilas botón. Como residuo de la trituración de las pilas normales se obtiene escoria férrica y no férrica, papel, plástico y polvo de pila122. Este último debe seguir procesos para recuperar los metales que contiene. Las pilas trituradas se introducen en un destilador que se calienta hasta la temperatura adecuada para su posterior condensación, permitiendo la obtención del mercurio con un elevado grado de pureza (superior al 96%). En el caso de las pilas botón, éstas son sometidas a un proceso de tratamiento para la recuperación de mercurio también mediante destilación. Las pilas botón y las de óxido de mercurio, tanto como las de NiCd y las de plomo, se envían a recicladoras para la recuperación de metales. Las pilas alcalinas de manganeso, las comunes de zinc-carbón y las de litio se envían a las industrias metalúrgicas. Números ensayos han demostraron que las pilas para uso general, comunes y alcalinas sin mercurio agregado, pueden ser recicladas satisfactoriamente en industrias metalúrgicas. Se han identificado procesos que permiten reciclar las fracciones de zinc, manganeso y acero contenidas en las pilas y recuperar el carbón como energía en procesos de fundición123. Para que las pilas puedan ser recicladas por la industria metalúrgica, su contenido de mercurio no debe ser mayor que 5 ppm (parte por millón).                                                              122 123

 http://despertandoconcienciaplanetaria.wikispaces.com/Pilas‐Bater%C3%ADas   http://ecoabc2.galeon.com/enlaces1075037.html 

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Figura 54: 5 recicla aje de baterrías.

Fuente e: http://evo olucionambiiental.blogsspot.com/p//habitos-de-reciclaje.h html 4.1.5.2 Porrque recic 4 clar pilas y baterías. Cuando la as pilas se e tiran a la basura d doméstica, suelen term minar en ell vertedero.. Allí se oxidan y como o consecue encia, el m mercurio se e libera co ontaminando el suelo y pudiendo o llegar a mezclarse m con las a aguas o se convierte e en metilm mercurio, compuesto c bio-acumu ulable de elevada e t toxicidad. Por P lo tanto o, es impresscindible se eparar las pilas p del ressto de los re esiduos d domésticos s y llevarlass a los con ntenedores dispuestoss para su recogida r se electiva. Estos conttenedores específicos e s pueden encontrarse e e tanto en la calle co omo en e establecim ientos cola aboradoress. En resumen, si las pilas no se recogen r a adecuadam mente produ uce graves problemass al ambiente124. 4.1.5.3 Pro 4 oblemas en n la salud. Se han descubierto d m acumulaciones de mercurio e peces, para en p quiene es esta susstancia no resulta r tóxica dado qu ue cuentan con un e enlace pro oteínico que e fija el mercurio a sus s tejidoss sin que dañe d sus órganos ó v vitales. Perro, cuando los seres humanos h in ngieren los peces, el mercurio m se e libera, r recupera su toxicidad y le provo oca, a mediiano o largo o plazo, da años en loss tejidos c cerebrales oso central.. y en el sisttema nervio                                                              1 124

 http://naturalle.blogspot..com/2007/03//contaminacin n‐de‐pilas‐y‐bateras.html 

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Lo mismo ocurre con el cadmio que contamina las aguas y el aire e ingresa a los cultivos. El cuerpo humano tarda décadas en eliminarlo y su absorción continuada puede producir serias lesiones renales, carcinomas, problemas pulmonares y en el hígado125. Otra razón importante para reciclar las pilas y baterías es que éstas pueden ser consideradas como una fuente de materias prima secundaria ya que de ellas se puede recuperar el níquel, cobalto y plata. 4.1.5.4 Diferentes pilas y su grado de contaminación126 • Zinc/Carbono: son las pilas llamadas comunes o especiales para linterna, contienen muy poco Mercurio, menos del 0,01%. Están compuestas por Carbono, Zinc, Dióxido de Manganeso y Cloruro de Amoníaco. Puede contaminar 3.000 litros de agua por unidad. • Alcalinas (Manganeso): son más recientes que las anteriores. Su principio activo es un compuesto alcalino (Hidróxido Potasio). Su duración es 6 veces mayor que las Zinc/Carbono. Están compuestas por Dióxido de Manganeso, Hidróxido de Potasio, pasta de Zinc amalgamada con Mercurio (total 1%), Carbón o Grafito. Una sola pila alcalina puede contaminar 175.000 litros de agua (más de lo que puede consumir un hombre en toda su vida). • Mercurio: Fue la primer pila que se construyó del tipo micropila o botón. Exteriormente se construyen de acero y consta de un electrodo de Oxido de Mercurio con polvo de Grafito, el electrólito está compuesto de Hidróxido de Potasio embebido en un material esponjoso absorbente y pasta de Zinc disuelto en Mercurio. Contiene entre un 25 y un 30% de Mercurio. Esta micropila puede contaminar 600.000 litros de agua. • Níquel/Cadmio: Esta pila tiene la forma de la pila clásica o alcalina, pero tiene la ventaja que se puede recargar muchas veces. Está constituida por Níquel laminado y Cadmio separado por nylon o polipropileno, todo arrollado en espiral. No contiene Mercurio. Sus residuos son peligrosos para el medio ambiente, principalmente por la presencia del Cadmio. 4.2 CONVERSIÓN FOTOVOLTAICA127 La conversión fotovoltaica (FV) es el proceso mediante el cual se convierte directamente la luz del sol en electricidad, por medio de celdas solares. El primer dispositivo FV fue demostrado por el físico francés Edmond Becquerel, en el año de 1839. En sus experimentos, Bequerel encontró que cuando ciertos materiales                                                              125

 The TAB Battery Book, Michael Root, An In‐Depth Guide to Construction, Design, And Use   Fuel Cells, chapter 16, Mihaela F. Ion and Sudarshan K. Loyalka  127 Tendencias tecnológicas, Tecnología fotovoltaica, Jaime Agredano Díaz, Universidad Nacional Autónoma  de México (UNAM)  126

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eran expuestos a la luz, producían una diferencia de potencial y al conectarlos con una carga externa se generaba una corriente eléctrica, a este fenómeno se le denominó el efecto fotovoltaico, sin embargo, el entendimiento, dominio y uso de dicho fenómeno, tuvo que esperar hasta que se dieran otros avances científicos y tecnológicos relacionados con la física cuántica y los semiconductores, durante el siglo XX. Las celdas fotovoltaicas, se fabrican con materiales semiconductores, los cuales actúan como aislantes a bajas temperaturas, pero también pueden ser conductores cuando son expuestos al calor o a la energía lumínica. Sobre materiales semiconductores utilizados en la fabricación de celdas fotovoltaicas se han publicado varios artículos donde se detalla su funcionamiento (Green, 1992 y Navilla, 1978). La tecnología más madura para la fabricación de celdas fotovoltaicas es la basada en silicio, el cual es el material más abundante en la tierra; sin embargo, requiere ser sometido a un proceso de refinación y crecimiento de grandes mono o poli cristales, que a su vez se cortan en obleas delgadas de 200 micras, las cuales son el material base en la fabricación de celdas fotovoltaicas. La refinación del silicio es costosa y altamente demandante de energía, de hecho, durante el proceso de cortado se desperdicia mucho material, que para ser reutilizado requiere reprocesamiento de alto costo. No obstante, hoy en día las celdas fotovoltaicas de silicio son las que dominan el mercado, contabilizando alrededor del 90% de los módulos que se fabrican en el mundo. En cuanto a eficiencias de conversión, la tecnología ha evolucionado de manera importante en los últimos 30 años. Por ejemplo, las celdas fotovoltaicas que se fabricaban a mediados de los setentas, tenían eficiencias de tan solo 1% (Lorenzo, 1994). La Figura 55muestra la evolución de las eficiencias de las celdas fotovoltaicas de laboratorio, probadas bajo condiciones controladas para diferentes tecnologías y materiales. También se observa que durante el año 2007, Spectrolab reportó eficiencias cercanas al 40%, con celdas de tecnología multiunión a concentración128.

                                                             128

NationalCenter for Photovoltaics, National Renewable Energy Laboratory

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Figura 55 5: Evolució ón de las eficiencias e de las celdas fotovo lo os últimos 32 años

Fuente: Te endencias tecnológica t as, Tecnolo ogía fotovolttaica, Jaime Univerrsidad Naciional Autón noma de Mé éxico (UNA 4 4.2.1 Tipos s de célula as fotovolta aicas Las células L s fotovoltaiccas son ela aboradas, en e la gran mayoría m de e silicio y puede el p consstituirse de cristales monocristalin nos, policris a amorfo. • Silic cón monoc cristalino: La célula de monocrristalino de u usada y es e comerccializada co omo el conversor directo de e electricidad d; la tecnología utiliza ada para la a producció ón de éste s siguiente procedimien p nto; La prroducción de d la célula de silicio e extracción del silicio o cristal del dióxido. Esste materia al se desoxi h hornos, purrificado y so olidificado. Este proce eso alcanza a un grado 9 99% lo que es bastante bueno bajo el pu unto de vissta de ener s silicio es trabajado como c fotovo oltaico de células y otros semi u alto grad un do de purezza, donde el e más gran nde debe lle egar a 99,9

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